【解析】基于增減材制造的復合加工技術

將增材制造（3D打印）與減材制造兩種技術相結合目前可以說是越來越流行了，因為這樣可以同時得到二者的優(yōu)點。所以迄今為止，這樣的混合加工設備已經(jīng)出現(xiàn)了不少。接下來南極熊就為大家解析基于增減材制造的復合加工技術。
與傳統(tǒng)的減材制造相比，增材制造其具有以下優(yōu)點：

1.可迅速制造出自由曲面和更為復雜形態(tài)的零件，如零件中的凹槽、凸肩和復雜的內流道等。
2.材料利用率高，尤其是對昂貴的稀有材料來說，可大大降低成本。
3.高度自動化，人工干預小。
4.加工效率高，尤其對難加工材料，能快速制作出產(chǎn)品實體模型及模具。

ＲＰ技術的研究源于上個世紀８０年代中期。早期的ＲＰ技術主要應用于進行結構、裝配、產(chǎn)品功能驗證與測試，使用的材料僅局限于塑料、紙品、聚合物等。比如SLA（光固化立體成形）、SLS（選擇性激光燒結）、FDM（融化沉積制造）、LOM（薄片層疊制造）等等已經(jīng)廣泛商業(yè)化的技術。隨著技術的發(fā)展，ＲＰ技術的研究越來越集中于功能性產(chǎn)品的直接成形，使用材料為金屬、陶瓷、合金以及各種功能性復合材料，這些技術包括Lａｓｅｒｃｌａｄｄｉｎｇ（激光熔覆）、3WEｅｌｄｉｎｇ（三維堆焊）、LENZ（激光近成形制造）、DMD（金屬直接沉積制造）、SLM（選擇性激光融化）、PDM（等離子熔積制造）、EBM（電子束熔融制造）等。

但是幾乎所有的ＲＰ技術，幾何尺寸精度和表面光潔度都不太理想，需要進行后處理，包括熱處理、機加工（銑削、鉆削）和拋光加工。這是由于其本身離散化過程中大都采用ＳＴＬ格式和二維的分層技術，從而造成尺寸的誤差和階梯效應。一般來說，分層厚度越小精度越高，但同樣所需的時間也越長，從而增加了成本。而傳統(tǒng)的機加工尤其是數(shù)控加工具有高精度、高效率、加工柔性好、工藝規(guī)劃簡單等特點，正好能夠 彌補上述ＲＰ技術的缺點。因此，將增材制造（RP）和 減材制造（CNC）有效的結合，產(chǎn)生一種新的復合加工技術，具有廣闊的應用前景。圖１所示為增減材制造特征結合的技術優(yōu)勢。

１基于增減材制造的復合加工技術原理及特點
基于增減材制造的復合加工技術是從面向制造的產(chǎn)品設計階段、軟件控制設計階段以及加工階段將增材制造和減材制造相結合的一種新的技術。該技術是一種添加／去除材料的過程，以“離散－堆積－控制”的成型原理為基礎，如圖２所示。首先在計算機中生成最終功能零件的三維ＣＡＤ模型；然后將該模型按一定的厚度分層切片，即將零件的三維數(shù)據(jù)信息轉換為一系列的二維或三維輪廓幾何信息，層面幾何信息融合沉積參數(shù)和機加工參數(shù)生成掃描路徑數(shù)控代碼，成型系統(tǒng)按照輪廓軌跡逐層掃描堆積材料和加工控制（對輪廓或表面進行機加工）；最終成型三維實體零件。

從復合加工技術的原理可以看出，該技術與ＲＰ技術的基本思路是一致的，其實質就是ＣＡＤ軟件驅動下的三維堆積和機加工過程。由于采用機加工控制來消除臺階效應，并保證精度，因此在沉積過程中可以采取大噴頭和大厚度等低分辨率的沉積來提高加工速度。一個基本的復合加工快速成型系統(tǒng)應該由以下幾個部分組成：３或５軸ＣＮＣ立式加工中心（由于大部分ＲＰ系統(tǒng)都是立式結構，所以該加工中心也應該是立式結構），沉積制造部分，送料系統(tǒng)，軟件控制系統(tǒng)，輔助系統(tǒng)。

２基于增減材制造的復合加工技術研究分析
隨著增材制造的發(fā)展以及其局限性的突出，國 際上越來越多的學者和研究機構把目光轉向基于增減材的復合加工制造。相比于國內，國際上對基于增減材制造的復合加工技術的研究開展的比較早，研究的內容也比較多。但總的來說，該項技術仍然處于 研究與探索階段。

２．１形狀沉積制造技術（ＳＤＭ）
形狀沉積制造技術最早由美國斯坦福大學研究發(fā)展，他們將去 除法和添加法結合在一起，形成自己的ＳＤＭ技術， 所用材料分為成形材料和支撐材料，包括不銹鋼、鈦 合金、鋁合金、銅合金等，所成形的零件具有很高的 精度�；�本過程如圖３所示，每沉積完一層材料，用數(shù)控加工的方法（３或５軸加工中心）將該層零件 或支撐材料加工成形到零件的表面外形后繼續(xù)下一 層的沉積，最后去除支撐材料。

ＳＤＭ添加材料的過程根據(jù)零件的材料可采用不 同的方法，其幾何分層方法可以采用三維的具有任 意厚度且不一定是平面的幾何分層，如圖４所示。 因此零件精度與分層的厚度無關，可以采用大厚度 分層來提高零件的制造速度，并可消除常規(guī)的快速 原型制造方法制造的帶有傾斜表面的零件中常見的 臺階效應，得到光滑的零件表面。Ｊｏｒｇｅ等人研究了ＳＤＭ技術在仿生機器人中的應用，并制備了具有功 能梯度和嵌入結構的組件，如圖５所示。

２．２模具形狀沉積制造技術（ＭｏｌｄＳＤＭ）
模具形狀沉積制造是在形狀沉積制造基礎上演變而來的。ＭｏｌｄＳＤＭ特點是：首先采用ＳＤＭ方法制備模具，然后再進行注塑／澆注成型，如圖６所示。ＭｏｌｄＳＤＭ成型過程需要三種不同材料：支撐材料、模具材料和零件材料。支撐材料部分定義了模具的型腔，圍繞在支撐材料周邊的模具材料部分定義的是模具本身，可以簡單地把工藝過程劃分為四步：采用ＳＤＭ技術逐層疊加成型（１－４步）；去除支撐材料（５步）；注塑／澆注（６步）；去除模具材料，機加工最終成形（７、８步）。 ＭｏｌｄＳＤＭ技術相比于ＳＤＭ技術的優(yōu)勢在于：由于最終零件的成型采用的是注塑／澆注方法，所以成型零件沒有分層分界線，模具（５步）有兩條分層分界線，支撐部分（３、４步）有一條分界線，特別適用于像陶瓷這類易于產(chǎn)生缺陷和層間粘結性差的材料，對難加工材料來說，可大大減少機加工部分。

ＭｏｌｄＳＤＭ可以制造出高性能的功能性零件以及預裝配組件和具有梯度功能材料的零件。其成型件質量主要取決于模具和支撐材料的材料特性，主要 有：低的伸縮率可以減少成型件的翹曲變形；好的結合性可以承受更大的切削力，減小切削力對變形的影響；高的化學相容性可以獲得更均勻的微觀組織；去除性好的支撐材料可以降低去除支撐時對成型件的影響。

但是，ＭｏｌｄＳＤＭ技術才有自身的缺點：
一是，可使用的材料種類少。由于成型過程中增加了額外的材料，要求其具有良好的相容性以及可加工性， 因而限制了可使用材料的范圍；
二是，額外的注塑／澆注和模具去除部分增加了成型過程時間；
三是，成 型件尺寸較小。

２．３控制金屬堆積技術（ＣＭＢ）
德國弗朗和夫生產(chǎn)技術研究所融合材料添加和去除方法開發(fā)了控制金屬堆積技術（ＣｏｎｔｒｏｌｌｅｄＭｅｔａｌＢｕｉｌｄｕｐＣＭＢ），該技術原理和ＬＥＮＳ／ＤＬＦ相似，只是在ＣＭＢ系統(tǒng)上配備了銑切裝置，在掃描沉積了一層后，利用銑切來加工每一層的表面輪廓使之平整，這樣就改善了零件的精度和表面光潔度。據(jù)報道在制 造不銹鋼零件時，可以達到１００％致密度。該系統(tǒng)增材工藝采用同軸送絲激光熔覆技術，所用材料為所有可焊接金屬。

ＣＭＢ系統(tǒng)主體是一個三軸立式銑削機床，沉積部分（包含激光源、送絲機構和氣體保護裝置）安裝于主軸旁邊。其過程為：沉積—銑削—沉積，如圖７所示。銑削時，氣動裝置驅動沉積裝置向上運動，已達到對沉積裝置的保護以及消除和工件之間的干涉。由于每一層沉積時都有氣體保護防止氧化，沉積后都進行平面銑削和仿形銑削來保證輪廓和表面精度，所以最終成型零件的精度很高，而且零件內部幾乎沒有缺陷。德國弗朗和夫生產(chǎn)技術研究所生產(chǎn)的ＣＭＢ系統(tǒng)主要用于模具生產(chǎn)，零件成形尺寸可達６００ｍｍ×６００ｍｍ×６００ｍｍ，精度可達０．０２ｍｍ。目前該技術研究所正致力于基于五軸或六軸加工中心的高度自動化ＣＭＢ技術開發(fā)研究。

２．４基于堆焊的混合加工系統(tǒng)（ＡｒｃＨＬＭ）
印度理工學院Ａｋｕｌａ等人研究了一種基于堆焊的混合加工系統(tǒng)。ＡｒｃＨＬＭ系統(tǒng)將脈沖惰性氣體保護焊機集成到一個三軸的數(shù)控機床上，并通過定制的軟件系統(tǒng)進行控制，其基本過程（圖８所示）和ＣＭＢ技術相同，只是沉積掃描一層后，只進行平面銑削（去除缺陷及氧化層，保證達到預置的厚度），直到近凈成形件完成，最后進行仿形銑削（消除臺階效應，保證尺寸精度及表面光潔度）。

該系統(tǒng)優(yōu)點是：高度自動化；材料為焊材，經(jīng)濟、快速（沉積速度５０～１００ｇ／ｍｉｎ）、安全；焊頭安裝在主軸上，改裝簡單；成型精度高，表面質量好。ＡｒｃＨＬＭ系統(tǒng)熱量輸入低，提高了成型質量的同時犧牲了成型時間；由于采用堆焊而不是激光沉積成型，該系統(tǒng)不適應于具有過度復雜和精細結構的零件，同時不能成形不同成分和組織的梯度功能材料結構。圖９所示為ＡｒｃＨＬＭ設備。 ＡｒｃＨＬＭ整個過程可以分為三部分：零件的近凈 成形；熱處理；對近凈成形零件精加工，如圖１０所示。

零件的近凈成形步驟為：
第一步，采用零階近似邊緣 和自適應分層（變厚度分層）技術自下而上進行分 層，生成每一層的沉積掃描路徑和面銑削路徑以及相互轉換的Ｍ０８和Ｍ０９代碼；
第二步，安裝盡可能厚的基板；
第三步，設置工藝參數(shù)（功率、焊材直徑、掃描方式、層厚、焊道寬度、加工余量、掃描速率、銑削參數(shù)以及Ｚ軸控制參數(shù)等）；
第四步，在基板上沉積較厚的底層以承受大熱量輸入，并對基板預熱以獲得好的粒度分布；
第五步，對每一層進行平面銑削來消除缺陷和去除氧化層，以獲得良好的表面質量和達到設置的層厚；
第六步，重復４和５步直到近凈成形完成。在整個過程中，進行熱處理來消除零件內應力以及改善機械性能和提高疲勞壽命，由ＡｒｃＨＬＭ軟件生成的ＮＣ代碼驅動平頭／球頭銑刀自上而下進行精加工，完成輪廓表面或其他表面的處理。

圖１１所示為ＡｒｃＨＬＭ軟件系統(tǒng)生成的數(shù)控代碼。 和Ａｋｕｌａ團隊一樣，韓國科學技術研究所Ｙｏｎｇ－ＡｋＳｏｎｇ團隊研發(fā)了一種三維焊接和銑削復合加工系統(tǒng)，其過程原理及主體和ＡｒｃＨＬＭ基本相同，該系統(tǒng)每一層沉積厚度范圍在０．５～１．５ｍｍ之間，銑削后在０．１～１ｍｍ之間。表１為ＳＬＳ、ＬＥＮＳ、３ＤＷＭ工藝對比參數(shù)。

２．５選擇性激光熔覆復合加工技術（ＨＳＬＭ）
國立臺灣科技大學的Ｊｅｎｇ－Ｙｗａｎ等人利用選擇性激光熔覆和銑削復合加工技術開展了金屬零件直接快速成型、修復和改性相關方面的研究。該系統(tǒng)的設計結構如圖１２所示，由ＲＳ８２０１．５ＫＷＣＯ２激光器、同軸送粉系統(tǒng)、四軸聯(lián)動加工及控制系統(tǒng)、系統(tǒng)軟件以及氣體保護裝置組成。由于工件距離激光頭比較近，在沉積掃描過程中會產(chǎn)生大量的熱，從而影 響粉末融態(tài)的流動性，不利于零件的成形質量，因此 該系統(tǒng)采用了一種新型水冷式噴頭（如圖１３所示） 。

該系統(tǒng)的軟件功能和ＨＬＭ等軟件一樣，包括各種參數(shù)的設置、模型離散化、切片分層、掃描路徑、銑削加工路徑、生成代碼以及工件移動和功能轉換等等。其基本過程與ＨＬＭ、ＣＭＢ技術一樣，不同的是為了提高效率，該系統(tǒng)在沉積兩層或者三層，達到設置厚度后，再進行平面銑削。在成型過程中金屬粉末成熔融狀態(tài)，由于表面張力的作用，熔覆橫截面形狀成圓弧形，而且由于粉末流流速太快或者直徑太大，出現(xiàn)未熔化粉末沉積現(xiàn)象。沉積下一層時，熔態(tài)粉末會沿著上一層的表面流動，并熔化先前沉積的未熔化粉末，導致沉積高度增加不多，表面弧度變的更大。沉積第三層時，這種情況更加明顯，最終導致熔覆層高度不再增加。該系統(tǒng)采取沉積兩層或三層后進行平面銑削，很好的解決了這個問題，而且保證了成型效率和質量。由于采用同軸送粉激光熔覆工藝，該系統(tǒng)成型件精度比較高。

２．６超聲波增材制造（ＵＡＭ）
超聲波增材制造（Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃａｄｄｉｔｉｖｅｍａｎｕｆａｃｔｕｒ－ｉｎｇＵＡＭ）技術是超聲波焊接和數(shù)控加工結合的一種固態(tài)復合加工技術，材料為金屬箔片。其基本原理是利用超聲波的振動能量使兩個需焊接的表面摩擦，形成分子間融合的一種固態(tài)焊接。在疊加完一層或幾層后，利用ＣＮＣ技術去除多余材料，獲得理想的幾何尺寸和精度；然后進行另一層的疊加，如此循環(huán)直至獲得完整零件，如圖１４所示。ＵＡＭ技術優(yōu)勢：無飛濺和氧化等現(xiàn)象；成型材料廣泛，包括銅、銀、鋁、鎳 等有色金屬；可以形成不同材料的結合，形成梯度功 能；可以集成功能性組件和特殊結構。圖１５為嵌入光纖的ＵＡＭ成型件。

Ｓｔｕｃｋｅｒ等人創(chuàng)新性的采用一種基于晶體塑性 有限元模型（ＤＤＣＰ－ＦＥＭ）框架的位錯密度技術研究了ＵＡＭ成型中Ａｌ３００３□Ｈ－１８亞晶粒的形成機理，并給出了準確預測。Ｊａｍｅｓ等人進行了ＵＡＭ成型中粘滑運動動力學分析研究�，F(xiàn)在ＵＡＭ技術已經(jīng)進入了商業(yè)化階段，德國的Ｆａｂｒｉｓｏｎｉｃ公司于2013年12月推出了兩組新的超聲波３Ｄ打印機，ＵＡＭＳｏｎｉｃｌａｙｅｒ ４０００和７２００。

２．７其他研究情況
武漢理工大學熊新鴻團隊融合材料添加和去除方法研究了ＨＰＤＭ技術，該技術和ＣＭＢ技術原理基本相同，不同的是該系統(tǒng)增材制造部分采用的是基于粉末的微束等離子快速成形技術，相比于ＡｒｃＨＬＭ，ＨＰＤＭ技術，其采用等離子成形技術，熱輸入量高、光斑半徑更小、能量集中，因而沉積速度更快。離子束質量十分穩(wěn)定，因而自動化程度更高，而且噪聲小，但成本比ＡｒｃＨＬＭ高，而且由于采用粉末，形成熔池，因而成形更不好控制。相比于ＣＭＢ等采用激光和電子束成形的技術，ＨＰＤＭ技術成本低，掃描路徑容易控制，但光斑較大，成型精度較低，成形結構不精細。 ＭｏｈａｍｍａｄＰｅｒｖｅｚＭｕｇｈａｌ等人研究了基于堆焊的復合成型技術中，銑削對材料性能的影響。他們利用基于堆焊的復合成型技術制備了兩種試樣，一種試樣在成型過程中每沉積掃描一層后，進行平面銑削；另一種試樣則沒有銑削過程。

通過對比兩種試樣的微觀組織結構、硬度分布檢測以及拉伸試驗情況，分析銑削過程對成型材料性能的影響和作用，并得出結論：銑削加工對成型零件的微觀組織形態(tài)及分布和硬度分布有較大影響，而對屈服強度基本沒有影響。 韓國首爾大學ＺｈｕＨｕ和ＫｕｎｗｏｏＬｅｅ等人對增減材復合制造的軟件系統(tǒng)進行了大量的研究。他們首先提出了一種新的確定加工方向的算法，該算法綜合考慮制造過程中的沉積特征和銑削特征，并進 行優(yōu)化來確定加工方向。在確定加工方向后，又研究了一種基于凹邊識別的分層算法，該方法綜合考慮了刀具的可加工性、最大分層厚度、最小分層數(shù)量等因素，實驗證明該方法分層數(shù)量更少，具有廣闊的應用前景。

日本松浦機械制作所推出商業(yè)化ＬＵＭＥＸＡ－ｖａｎｃｅ－２５復合光造型機，具體是用激光燒結和銑削工藝結合的方式（ＳＬＭ燒結＋銑削），實現(xiàn)高精度的成型效果。他們主要利用金屬光造型復合加工進行零件快速成型，實現(xiàn)激光燒結、切削加工、深加強筋加工、多孔造型以及三維冷卻水路，具有３Ｄ網(wǎng)狀、縮短時間、降低成本、３Ｄ自由曲面及一體化結構等優(yōu)勢。復合光造型機能反復進行金屬光造型和采用立銑刀的高速、高精度切削加工，實現(xiàn)了與加工中心相當?shù)某叽缇�度和表面粗糙度�?

３基于增減材的復合加工技術發(fā)展方向
由于融合了增材制造和減材制造技術優(yōu)勢， 基于增減材的復合加工技術能快速制備出不同材料的高精度、高質量的復雜形狀零件，縮短制造周期，節(jié)省材料，降低成本，增強產(chǎn)品競爭優(yōu)勢，特別有利于復雜形狀、多品種、小批量零件的生產(chǎn)，具有廣闊的應用前景。 但由于基于增減材的復合加工技術研究剛剛起步，并牽涉到較為寬廣的技術學科，只有在相關學科技術得到全面的研究后才能對該技術形成支撐，具體來說以下幾個方面是將來需要繼續(xù)努力的方向。

（１）軟件系統(tǒng)的研發(fā)。目前，所有的復合加工系統(tǒng)軟件，都是在快速成型技術軟件的基礎上所進行的改進和集成，其基本過程和快速成型軟件基本相同，但這并不能夠完全發(fā)揮出復合加工技術的優(yōu)勢。未來軟件的開發(fā)，應該基于復合加工技術的特點本身，從模型設計、離散化分層處理、路徑生成及控制直到加工完成整個過程進行系統(tǒng)性融合。
（２）控制系統(tǒng)的研發(fā)。由于在零件成形過程中，要在沉積和機加工功能中不斷轉化，其加工坐標系也在不斷的變化，因此對于刀具和沉積的準確定位和控制尤為重要。而現(xiàn)在幾乎所有的基于增減材的復合加工系統(tǒng)，幾乎沒有反饋控制，因此如何實現(xiàn)對加工過程的實時檢測和反饋，形成閉環(huán)控制，需要進一步研究。
（３）成型尺寸的擴展。上述介紹的基于增減材的復合加工技術主要應用于模具、功能結構件、嵌入式結構件等結構尺寸較小的成型件中，尚不能成型大型結構件。
（４）工藝集成性。由于成型的零件具有不同的特征性質，因此所采用的沉積工藝和材料也就不同。如何將多種沉積工藝設備集成在一起，并保證運行的協(xié)調性和高效率是需要研究的問題。

增材制造由于其獨特技術優(yōu)勢引起了越來越多的關注，但也有很多缺點制約了其應用和發(fā)展，因此，同減材制造相結合的復合加工技術逐漸成為研
究的焦點。本文在闡述增減材復合加工原理的基礎上，詳細介紹了多種復合加工技術的原理和特點。通過總結現(xiàn)有復合加工技術的研究現(xiàn)狀，指出未來的研究方向。

編輯：南極熊
作者：馬立杰，樊紅麗，盧繼平，龐璐（北京理工大學機械與車輛學院）