混合金屬增材制造:最新研究進展（2）

來源：江蘇激光聯(lián)盟

導讀：本文探討了混合金屬增材制造的研究進展。本文為第二部分。
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2.3.2 DED-based流程

圖3 金屬增材制造(MAM)工藝的分類屬于兩類(PBF和DED)，在三維金屬零件的構(gòu)建中有著廣泛的應用。

圖3中列出的基于生成的過程之間的主要區(qū)別來自于熱能的來源和用于輸送原料的系統(tǒng)，并在零件的建造過程中確保其同時沉積和熔化。

激光直接能量沉積(Laser direct energy deposition, L-DED)利用激光熔覆的工作原理，一層一層地構(gòu)建三維金屬零件(圖5a)。原料可以是粉狀或線狀;在粉末的情況下，材料被分割并通過激光頭饋送(通常是同軸的)，而在線材的情況下，材料是通過一個獨立的系統(tǒng)，從激光頭分離。

圖5 以下的工作原理的示意圖表示基于的過程。

(a)激光直接能量沉積(LD-DED);
(b)電子束直接能量沉積(EB-DED);
(c)氣體金屬電弧直接能量沉積(GMA-DED);
(d)氣體鎢極電弧直接能量沉積(GTA-DED);
(e)等離子弧直接能量沉積(PA-DED)。

使用線材的最大沉積速率可達2 kg/h，表面粗糙度一般在30 μm以上。由于不需要使用受控的環(huán)境室，該過程可以自動化，以增強構(gòu)建復雜三維零件的路徑運動靈活性。從激光頭流出的保護氣體保護熔體池免受氧化，并作為載體協(xié)助粉末轉(zhuǎn)移到熔體池。

電子束直接能量沉積(EB-DED)的工作原理與L-DED類似，只是電子束在受控真空條件下工作，取代了激光束熱源(Fuchs 等，2018)(圖5b)。由于在真空中對金屬粉末流動的處理不當，該工藝只使用線材作為原料，這可能會影響零件的最終質(zhì)量和精度。

EB-DED可以制造大尺寸的零件，沉積速率從3到10公斤/小時，取決于材料和零件特性。在某些情況下，高沉積速率和大熔體池會產(chǎn)生顯著的熱應力，這需要基體和夾具的考慮。成品零件的表面粗糙度是無關(guān)緊要的，因為必須進行二次操作才能得到成品零件。

圖3中歸類在WAAM(絲弧增材制造)子類別下的工藝是指那些使用電弧作為熱能來源并具有類似于弧焊工藝的工作原理的工藝。基于waam的工藝通常精確度較低，但比L-DED更快，因為沉積速率可達5 - 6kg /h。它們也比L-DED更高效，因為將電能轉(zhuǎn)化為激光束需要更大的能量需求。

WAAM與EB-DED的對比，可以說沉積速率較高，但精度較低。然而基于WAAM的工藝在擁有自己焊接設(shè)備的研究機構(gòu)和行業(yè)中的吸引力源于這樣一個事實，即通過購買所需的CNC機構(gòu)或?qū)⒃O(shè)備安裝到現(xiàn)有的機器人中，創(chuàng)建具有在短時間內(nèi)生產(chǎn)大尺寸零件能力的MAM系統(tǒng)相對容易且成本較低跨度。

氣體金屬電弧焊(GMAW)是WAAM中應用最廣泛的一種技術(shù)，它是在惰性或主動保護氣體的保護下，自耗電絲(電極)的尖端形成電弧，自耗電絲(電極)在惰性或主動保護氣體的保護下通過噴嘴自動進入焊接池。在指定的氣體金屬電弧直接能量沉積(GMA-DED)下(Williams等人，2016)(圖5c)。這是因為GMA-DED是最簡單和最便宜的工藝，因為它直接送絲，與焊槍的噴嘴是同軸的。

另外兩個基于waam的過程如圖3所示;氣體電弧直接能量沉積(GTA-DED) (Baufeld等人，2010)和等離子電弧直接能量沉積(PA-DED) (Martina等人，2012)，使用非自耗電極(通常由鎢制成)和正在施工的金屬部分之間形成的電弧(圖5d和5e)。這兩種工藝的工作原理都來自于鎢極氬弧焊(GTAW)和等離子弧焊(PAW)設(shè)備(Wu 等， 2018)，因此，原料絲不像GMA-DED那樣通過噴嘴供應，而是通過一個額外的送絲裝置。

由于PA-DED中的電弧比GTA-DED中的電弧具有更大的能量濃度、更好的穩(wěn)定性和更小的熱變形，沉積速率比GTA-DED中的高。事實上，PA-DED仍然是唯一一種基于電弧的MAM工藝，它也可以使用粉末作為原料(Zhang, 2003)。

3.混合生產(chǎn)
自上世紀90年代末“混合制造”一詞開始廣泛使用以來，研究人員就一直在為該給它下一個正確的定義而努力。Rajurkar等人(1999)將“混合加工”定義為兩種或多種材料去除過程的組合。由于兩種或兩種以上材料去除工藝的組合是大多數(shù)減色法制造路線的固有特性，因此這種描述有些模糊，Kozak和Rajurkar(2000)決定重新調(diào)整定義，要求混合加工過程的性能特征與單獨加工過程的性能特征有很大的不同。

Aspinwall等人(2001)進一步加強了“混合加工”的定義，認為兩種或更多材料去除過程的組合只能被認為是“混合”，如果它們被單獨應用在一臺機器上。如果材料去除過程是同時應用的，集成應該被稱為“輔助”。

在這些初步嘗試定義“混合加工”的同時，金屬成形界也在使用“混合”一詞來描述基于不同成形工藝組合(例如擠壓和電磁成形)的制造路線(Jäger等，2011)。

2010年初，人們意識到“混合制造”一詞應該從更廣泛的角度來使用，包括機械加工以外的其他過程，這使得一些作者將“混合制造”與每個組合過程的基本原理聯(lián)系起來，即在同一加工區(qū)域同時使用的不同形式的能量(Nau等， 2011)。

認識到這一點，國際生產(chǎn)工程學會(CIRP)提出了混合制造過程的定義，即“基于過程機制和/或?qū)�過程性能有顯著影響的能源/工具的同時和受控的相互作用”。然而，隨后關(guān)于“同步和受控的交互作用”這一措辭的爭論要求過程機制和/或能源/工具在同一加工區(qū)域或多或少地相互作用，同時也產(chǎn)生了混合制造隨后的兩個定義(Zhu 等， 2013):

(a)基于先前的定義，混合制造的狹義定義要求在同一加工區(qū)域使用不同的工藝機制;
(b)混合制造是一種開放式的定義，基于將兩種或兩種以上已建立的制造工藝組合成一個新的組合結(jié)構(gòu)。

狹義的混合制造是從并行的角度來看的，即兩個或兩個以上的工藝在同一時間原位組合。開放式定義從工藝順序的角度看待混合制造，并與采用創(chuàng)新組合制造方法而不是傳統(tǒng)制造方法的收益密切相關(guān)。此外，組合工藝不再需要基于不同的技術(shù)，如Araghi等人(2009)所示，他們成功地將拉伸成形和增量成形(即兩種塑性變形工藝)集成到一個創(chuàng)新的混合裝置中。

重新審視Lauwers等人(2014)的上述定義，將混合制造分為兩大類(圖6a)。第一組(稱為“I”)恢復了混合制造的狹隘(并發(fā))觀點，并包含兩種或更多能源/工具組合在一起的過程，并在加工區(qū)產(chǎn)生協(xié)同效應。該小組進一步分為兩個子組:I.A -包含輔助過程，其中一個二級過程是先驗地用來協(xié)助原始過程原位，和I.B -包含混合過程，其中兩個或更多的過程是同時使用的。

圖6 基于Lauwers等人(2014)最初提出的混合制造工藝的新擴展分類(參考黑色虛線區(qū)域)。

第二組(稱為“II”)與混合制造的開放定義有關(guān)，并說明了為以更有效和更具生產(chǎn)力的方式制造零件而通過控制各工序的單獨組合來獲得協(xié)同效應的過程。凸臺成形和鐓粗的組合將板材連接到管的末端(Alves等人，2018)，以及部分切割、彎曲和板材-體積成形的組合，以生產(chǎn)金屬板材搭接接頭(Pragana等人，2018)是屬于這一組的兩個例子。

如上所述，我們可以得出結(jié)論，圖6所示的混合制造的分類從最初的概念只專注于機械加工發(fā)展到一個更廣泛的概念，包括其他制造工藝和路線。然而，Lauwers等人(2014)最初的分類背后的根源(參考圖6中的虛線區(qū)域)與主要加工原料的使用有很深的聯(lián)系，這些原材料的形式有錠、板、片、棒、管、型材、粉末、球團等。

考慮到新的混合制造路線的出現(xiàn)，該路線基于通過增材和傳統(tǒng)制造工藝組合使用額外沉積的材料來制造難以（甚至不可能）通過每種工藝單獨獲得的零件，有必要修改Lauwers等人（2014）的原始分類，以包括兩個新的第二亞組II.A and II.B（圖6）。

II.A子組包括對主要加工原材料的工藝機制的受控應用。子組II.B，以下簡稱為混合增材制造（HAM），包含對增材沉積材料的過程機制的受控應用，以及對先前經(jīng)過傳統(tǒng)制造工藝的主要加工原材料的增材制造的受控應用。

這種新分類背后的愿景為增材制造與傳統(tǒng)制造工藝的混合鋪平了道路，目的是增加其適用性領(lǐng)域并克服與低生產(chǎn)率，粗糙表面質(zhì)量和缺乏尺寸精度相關(guān)的限制（表1）。相反，增材制造的雜交也可能有助于增加靈活性，并促進傳統(tǒng)制造工藝/路線的新應用。

表 1.增材制造和其他成型和加工工藝的尺寸公差

本文的第三部分將集中于金屬混合增材制造(以下簡稱“金屬增材制造”)，特別強調(diào)金屬增材制造(MAM)與成形工藝的結(jié)合。

4. 金屬混合增材制造
4．1. 具有多熱源的金屬高溫焊接
基于多熱源利用的金屬混合增材制造屬于圖6的I.A組（輔助工藝），熱能源僅輔助主要增材制造工藝。這種想法在2000年代中期開始引起人們的注意，其根源在于新型混合焊接工藝的開發(fā)，該工藝能夠通過電弧輔助激光，克服激光焊接在間隙限制、涂層損壞和熔融材料內(nèi)氣孔形成方面的局限性（Ono，2002）。

使用多種熱能的概念最終在MAM領(lǐng)域得以實現(xiàn)，通過提供補充能源來提高工藝穩(wěn)定性。例如，Qian等人（2006年）提出利用激光輔助等離子弧直接能量沉積（PA-ED）系統(tǒng)。Zhang等人（2006年）評估了這種新的混合制造輔助工藝，稱為“激光等離子體沉積制造”，并總結(jié)了其在獲得快速厚且均勻的涂層沉積方面的能力，以及比原始（非輔助）PA-ED系統(tǒng)提供的更好的機械性能。

最近，Zhang等人（2018）開發(fā)了一種激光輔助GMA-DED系統(tǒng)，用于制作薄壁鋁試樣，并證明了該概念在控制高度和壁寬均勻性方面的有效性（圖7a）。其他研究人員專注于評估和分析這種新型混合增材制造工藝的微觀結(jié)構(gòu)（Liu等人，2020年）和沉積策略（Li等人，2020年）。

圖7 金屬增材制造示意圖，其中（a）GMA-DED和（b）GTA-DED系統(tǒng)由激光熱源輔助。

Wu等人（2020年）利用激光輔助GTA-DED變體制作了鋁試樣（圖7b），與其他AM工藝制作的試樣相比，該試樣顯示出良好的微觀結(jié)構(gòu)和機械性能，以及較小的裂紋和氣孔發(fā)生率。

4.2. 金屬HAM與材料去除工藝
金屬增材制造（MAM）與材料去除工藝（也稱為“減材工藝”）的混合可分為兩類：

（a）在后處理級別利用材料去除工藝，以獲得制造零件所需的幾何精度、尺寸公差和表面質(zhì)量；

（b）在制造過程中整合材料去除過程，以獲得不可能（或非常困難且昂貴）通過增材制造或材料去除操作單獨生產(chǎn)的零件。

本文將不考慮第一類，因為后處理材料去除操作是大多數(shù)金屬增材制造（MAM）路線的固有操作，以確保制造的零件符合設(shè)計規(guī)范。其中一個例子是移除圖8a所示金屬構(gòu)件的“樓梯”輪廓。

圖8 （a）在后處理級別使用金屬去除工藝以消除金屬制造零件的“階梯”輪廓的示意圖，以及（b）傳統(tǒng)金屬去除工藝和混合增材制造工藝與材料去除的BTF比率比較。

這種類型的集成早已得到認可，并體現(xiàn)在混合制造系統(tǒng)的可用性中，該系統(tǒng)具有組合銑削/車削和MAM功能，可在較短的交付周期內(nèi)使用單一夾具生產(chǎn)現(xiàn)成的復雜金屬制造零件（Lorenz et al.，2015；Merklein et al.，2016）。

雖然這一類別可以被認為是最簡單的，但不可能低估其在降低總體材料和能源消耗方面的重要性。在加工昂貴且難以加工的材料（如鈦或鎳基超級合金）的情況下，這一點得到了進一步認可，因為購買飛行（BTF）比率（圖8b）的降低，即初始工件的質(zhì)量與成品零件的質(zhì)量之比，通過將金屬增材制造（MAM）與后處理水平的材料去除相結(jié)合，可以非常有效地降低總體制造成本和材料浪費（Seow等人，2019年）。

第二類允許生產(chǎn)具有復雜特征的各種復雜零件，但也包括圖9所示的簡單零件。事實上，在圖9所示的制造零件中，嘗試在“后處理水平”（即MAM循環(huán)結(jié)束后）使用金屬去除操作是不可行的，因為切削刀具訪問受限。在這種情況下，懸邊、淺截面或復雜特征的加工必須與制造過程中的材料沉積一起進行（Luo和Frank，2010）。

圖9 在制造過程中，將金屬增材制造和材料去除相結(jié)合，以制造最終的金屬零件。

從上述第二類的角度來看，金屬增材制造與材料去除過程的整合始于20世紀90年代中期。Fessler等人（1996）和科洛克等人（1996）結(jié)合了早期的L-DED系統(tǒng)，該系統(tǒng)由激光器和耦合送粉系統(tǒng)組成，（當時廣泛用于激光熔覆的設(shè)備），配有高速銑床，在金屬沉積的中間階段執(zhí)行材料去除操作。

然而，通過定制MAM工藝和/或材料去除操作，去除材料的金屬HAM研究在2000年中期才開始擴大和鞏固。例如，Kerschbaumer和Ernst（2004）重新審視了早期的概念，并在刀具軌跡生成、激光電源性能和送粉定制策略方面提供了進一步的見解。Sreenathbabu等人（2005年）將GMA-DED集成到CNC銑削系統(tǒng)中，用于將不規(guī)則層加工成更精確的平面形狀。Song等人（2005年）在銑床上組裝了兩個GMA焊炬和一個激光器，以獲得一個混合多任務(wù)系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠通過自動調(diào)幅工具切換設(shè)備提供更精確和選擇性的金屬沉積。

在開發(fā)混合多任務(wù)系統(tǒng)的同一系列產(chǎn)品中，Kovacevic和Valant（2006）為一個六軸機器人系統(tǒng)申請了專利，該系統(tǒng)用于制造具有等離子和激光沉積能力的金屬零件。Xinhong等人（2010年）開發(fā)了一個結(jié)合PA-DED增材制造和銑削的系統(tǒng)，以制造由鎳超級合金制成的航空發(fā)動機雙螺旋整體葉輪。

這些例子和上面沒有提到的其他例子，刺激機床行業(yè)在2010年代早期開發(fā)并商業(yè)化第一個混合增材制造系統(tǒng)。DMG Mori推出了LASERTEC 65 3D混合系統(tǒng)，該系統(tǒng)將L-DED材料沉積（激光頭通過同軸噴嘴進行材料沉積）與全五軸銑床相結(jié)合（伍德科克，2014年）。馬扎克推出了Integrex i-400 a.m.，該產(chǎn)品還基于L-DED與五軸加工能力的結(jié)合（混合制造技術(shù)，2014）。

事實上，目前大多數(shù)可用的內(nèi)部和商用混合增材制造系統(tǒng)都基于DED技術(shù)，因為它具有更大的靈活性，可以將增材和減材工藝組合到一臺機器中（Manogharan等人，2015）。

第一個基于PBF技術(shù)的混合增材制造系統(tǒng)是Lumex Avance-25 byMatsuura（2020）。該系統(tǒng)將LPBF的材料沉積與高速銑削相結(jié)合，并因其完善模具外部輪廓、表面粗糙度和腐蝕特性的潛力而受到關(guān)注（Ahn，2011）。

為了提高金屬沉積的靈活性，3D Hybrid（2020）公司目前提供了將GMA-DED、L-DED和冷噴涂頭（通常用于涂層應用）集成到CNC加工中心的可能性。

復合拉伸成形和AISF。

非對稱增量板料成形(AISF)是一種適用于鈑金件小批量生產(chǎn)的柔性成形工藝。但存在薄度過大、幾何精度低、工藝持續(xù)時間長、缺乏可靠的虛擬工藝規(guī)劃工具等問題。為了克服這些限制，拉伸成形和AISF的結(jié)合得到了發(fā)展 (上圖)。

4.3 金屬HAM與成形工藝
金屬增材制造(MAM)與成形工藝的雜交，通過成形生產(chǎn)出中批量或大批量的半成品，然后通過增材制造添加額外的功能元素，被認為是一種有效的方法，將傳統(tǒng)的成型工藝路線延伸到定制的、以客戶為導向的產(chǎn)品制造中(Merklein, 2016)。

金屬沖壓成形工藝的另一個方面是，通過增材制造優(yōu)化幾何形狀的預制件結(jié)構(gòu)，以確保在小批量、單級成形操作中無缺陷流動和模具填充，并具有較小的金屬損耗(Silva等人，2017年)。

最后，也有可能將MAM與成形工藝結(jié)合起來，以改善沉積金屬在工藝路線期間和結(jié)束時的性能。在連接這值得一提的是,MAM的利用率提高的表面形成工具(如提高硬度、磨損和抗氧化性能工具)( Hofmann等, 2015)這里不考慮,因為它不適合混合制造第三節(jié)中給出的定義�；�于相同的原因，通過增材制造制造金屬成形工具(Juncker等人，2015)并不包括在下文中。

考慮到之前的框架，作者決定將金屬增材制造(MAM)與成形工藝的組合分為四種不同的類別:

-與工藝相結(jié)合，提高沉積金屬的性能;
-與大體積成形工藝集成;
-與板材成形工藝集成;
-通過成形過程的整合與連接;

4.3.1 與工藝相結(jié)合，提高沉積金屬的性能

將金屬混合增材制造與改善沉積金屬性能的工藝相結(jié)合的根源在于機械表面處理。本節(jié)要考慮的第一個整體是，在攪拌摩擦焊產(chǎn)生的焊接珠上施加壓力，作為控制殘余應力和變形的一種手段(Altenkirch等人，2009年)，找到附加的根源。這一過程，以下稱為“表面軋制”，通過一個堅硬和高度拋光的滾輪，使焊縫表面發(fā)生塑性變形，以提高表面光潔度，并產(chǎn)生壓應力，以抵消焊接加熱-冷卻循環(huán)產(chǎn)生的殘余應力。

Colegrove等人(2013)對基于waam工藝的連續(xù)沉積層進行了首次表面軋制(圖10)。過程是在每一個新的層冷卻到near-ambient溫度和結(jié)果展示了其積極的影響在減少殘余應力和變形,還在最后的微觀結(jié)構(gòu),由于減少晶粒尺寸由塑性變形引起的動態(tài)再結(jié)晶引起的。

圖10 由WAAM與表面軋制組合而成的混合金屬增材制造工藝示意圖。重點討論了金相組織的改變(晶粒尺寸的減小及其對殘余應力的影響)。

Zhang等人(2013)通過聚焦于直接在沉積炬后面的滾輪的原位利用，為基于waam工藝的沉積層施加壓力提供了一種不同的策略。

在隨后的研究中，Colegrove等人(2017)揭示了表面軋制對機械性能(屈服強度、最終的抗拉強度和伸長率)，這是由于將不良的柱狀組織(各向異性行為的主要貢獻者)改為精細的等軸組織。

金屬增材制造(MAM)與旨在改善沉積金屬性能的工藝的另一種集成類型是在基于waam的工藝的連續(xù)層上使用噴丸，以消除殘余應力和最小化扭曲(Prinz和Weiss, 1993)。噴丸處理是用小的硬球反復撞擊各沉積層的表面，引起塑性變形和壓應力，但與表面滾壓相反，沉積層的整體形狀變化不大。

Bamberg(2012)擴展利用金屬HAM與噴丸加工提出的結(jié)合L-DED與其他變異的噴丸加工(圖11),如超聲波或激光沖擊錘擊,基于高頻振蕩的利用壓電傳感器或激光脈沖高功率激光器(圖11 b)。作者提出利用該方法對航空發(fā)動機燃氣輪機增材葉片元件的選擇性區(qū)域進行硬化。

圖11 由L-DED和(a)噴丸和(b)激光沖擊噴丸組合而成的混合金屬增材制造工藝示意圖。

近年來，帶噴丸強化的金屬高溫合金作為一種提高軍用、航空航天、汽車和生物醫(yī)學工業(yè)中應用的預制部件性能的手段已顯著增長(Sealy, 2018年)。

噴丸強化金屬加工的另一個優(yōu)點是，由于壓應力對延遲疲勞裂紋萌生的影響，可以提高疲勞壽命。例如Uzan 等(2018)研究了噴丸強化對LPBF鋁合金試件疲勞抗力的影響，得出了噴丸強化對疲勞抗力和疲勞極限的積極影響。裂紋試樣的斷口形貌分析表明，噴丸處理后疲勞裂紋萌生部位比未噴丸處理的試樣更深。

Sokolov等人(2020)最近提出將MAM與熱軋相結(jié)合，作為L-DED生產(chǎn)的鈦合金大型零件的熱機械后處理解決方案。作者公布的結(jié)果證實，在降低殘余孔隙度和誘導沉積材料的微觀結(jié)構(gòu)變化方面具有優(yōu)勢，有助于提高最終抗拉強度和斷裂伸長率。

Duarte等人(2020)最近提出，利用定制的WAAM焊槍將MAM與熱鍛結(jié)合起來，作為減少殘余孔隙、細化組織和改善沉積材料力學性能的替代解決方案。定制的焊槍配有放置在氣體噴嘴內(nèi)的錘頭，該錘頭由振動驅(qū)動器激活，用于對沉積的材料在高溫下進行局部原位塑性變形(圖12)。

圖12 在燃氣噴嘴內(nèi)裝有錘子的定制火炬示意圖和主要電氣方案(Duarte等人，2020年)。

來源：Hybrid metal additive manufacturing: A state–of–the-art review，Advances inIndustrial and Manufacturing Engineering，doi.org/10.1016/j.aime.2021.100032
參考文獻：Applications of laser assisted metal rapid tooling process tomanufacture of molding & forming tools—state of the art，Int. J.Precis. Eng. Manuf., 12 (5) (2011), pp. 925-938, 10.1007/S12541-011-0125-5