基於增減材製造的複合加工技術

將增材製造（3D列印）與減材製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點。所以迄今為止，這樣的混合加工設備已經出現了不少。接下來南極熊就為大家解析基於增減材製造的複合加工技術。

與傳統的減材製造相比，增材製造其具有以下優點：

1.可迅速製造出自由曲面和更為複雜形態的零件，如零件中的凹槽、凸肩和複雜的內流道等。

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，能快速製作出產品實體模型及模具。

ＲＰ技術的研究源於上個世紀８０年代中期。早期的ＲＰ技術主要應用於進行結構、裝配、產品功能驗證與測試，使用的材料僅局限於塑料、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（融化沉積製造）、LOM（薄片層疊製造）等等已經廣泛商業化的技術。隨著技術的發展，ＲＰ技術的研究越來越集中於功能性產品的直接成形，使用材料為金屬、陶瓷、合金以及各種功能性複合材料，這些技術包括Lａｓｅｒｃｌａｄｄｉｎｇ（激光熔覆）、3WEｅｌｄｉｎｇ（三維堆焊）、LENZ（激光近成形製造）、DMD（金屬直接沉積製造）、SLM（選擇性激光融化）、PDM（等離子熔積製造）、EBM（電子束熔融製造）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，需要進行後處理，包括熱處理、機加工（銑削、鑽削）和拋光加工。這是由於其本身離散化過程中大都採用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。而傳統的機加工尤其是數控加工具有高精度、高效率、加工柔性好、工藝規劃簡單等特點，正好能夠 彌補上述ＲＰ技術的缺點。因此，將增材製造（RP）和 減材製造（CNC）有效的結合，產生一種新的複合加工技術，具有廣闊的應用前景。圖１所示為增減材製造特徵結合的技術優勢。

１基於增減材製造的複合加工技術原理及特點

基於增減材製造的複合加工技術是從面向製造的產品設計階段、軟體控制設計階段以及加工階段將增材製造和減材製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；然後將該模型按一定的厚度分層切片，即將零件的三維數據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和機加工參數生成掃描路徑數控代碼，成型系統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。

從複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軟體驅動下的三維堆積和機加工過程。由於採用機加工控制來消除台階效應，並保證精度，因此在沉積過程中可以採取大噴頭和大厚度等低解析度的沉積來提高加工速度。一個基本的複合加工快速成型系統應該由以下幾個部分組成：３或５軸ＣＮＣ立式加工中心（由於大部分ＲＰ系統都是立式結構，所以該加工中心也應該是立式結構），沉積製造部分，送料系統，軟體控制系統，輔助系統。

２基於增減材製造的複合加工技術研究分析

隨著增材製造的發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於增減材的複合加工製造。相比於國內，國際上對基於增減材製造的複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，該項技術仍然處於 研究與探索階段。

２．１形狀沉積製造技術（ＳＤＭ）

形狀沉積製造技術最早由美國斯坦福大學研究發展，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，包括不鏽鋼、鈦 合金、鋁合金、銅合金等，所成形的零件具有很高的 精度。基本過程如圖３所示，每沉積完一層材料，用數控加工的方法（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後繼續下一 層的沉積，最後去除支撐材料。

ＳＤＭ添加材料的過程根據零件的材料可採用不 同的方法，其幾何分層方法可以採用三維的具有任 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，可以採用大厚度 分層來提高零件的製造速度，並可消除常規的快速 原型製造方法製造的帶有傾斜表面的零件中常見的 台階效應，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，並製備了具有功 能梯度和嵌入結構的組件，如圖５所示。

２．２模具形狀沉積製造技術（ＭｏｌｄＳＤＭ）

模具形狀沉積製造是在形狀沉積製造基礎上演變而來的。ＭｏｌｄＳＤＭ特點是：首先採用ＳＤＭ方法製備模具，然後再進行注塑／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：採用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技術相比於ＳＤＭ技術的優勢在於：由於最終零件的成型採用的是注塑／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，特別適用於像陶瓷這類易於產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可以製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於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。由於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範圍；

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）

德國弗朗和夫生產技術研究所融合材料添加和去除方法開發了控制金屬堆積技術（ＣｏｎｔｒｏｌｌｅｄＭｅｔａｌＢｕｉｌｄｕｐＣＭＢ），該技術原理和ＬＥＮＳ／ＤＬＦ相似，只是在ＣＭＢ系統上配備了銑切裝置，在掃描沉積了一層後，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。據報道在制 造不鏽鋼零件時，可以達到１００％緻密度。該系統增材工藝採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）安裝於主軸旁邊。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。由於每一層沉積時都有氣體保護防止氧化，沉積後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。德國弗朗和夫生產技術研究所生產的ＣＭＢ系統主要用於模具生產，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於基於五軸或六軸加工中心的高度自動化ＣＭＢ技術開發研究。

２．４基於堆焊的混合加工系統（ＡｒｃＨＬＭ）

印度理工學院Ａｋｕｌａ等人研究了一種基於堆焊的混合加工系統。ＡｒｃＨＬＭ系統將脈衝惰性氣體保護焊機集成到一個三軸的數控機床上，並通過定製的軟體系統進行控制，其基本過程（圖８所示）和ＣＭＢ技術相同，只是沉積掃描一層後，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，最後進行仿形銑削（消除台階效應，保證尺寸精度及表面光潔度）。

該系統優點是：高度自動化；材料為焊材，經濟、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系統熱量輸入低，提高了成型質量的同時犧牲了成型時間；由於採用堆焊而不是激光沉積成型，該系統不適應於具有過度複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，採用零階近似邊緣 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，安裝儘可能厚的基板；

第三步，設置工藝參數（功率、焊材直徑、掃描方式、層厚、焊道寬度、加工餘量、掃描速率、銑削參數以及Ｚ軸控制參數等）；

第四步，在基板上沉積較厚的底層以承受大熱量輸入，並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，重複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軟體生成的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軟體系統生成的數控代碼。 和Ａｋｕｌａ團隊一樣，韓國科學技術研究所Ｙｏｎｇ－ＡｋＳｏｎｇ團隊研發了一種三維焊接和銑削複合加工系統，其過程原理及主體和ＡｒｃＨＬＭ基本相同，該系統每一層沉積厚度範圍在０．５～１．５ｍｍ之間，銑削後在０．１～１ｍｍ之間。表１為ＳＬＳ、ＬＥＮＳ、３ＤＷＭ工藝對比參數。

２．５選擇性激光熔覆複合加工技術（ＨＳＬＭ）

國立台灣科技大學的Ｊｅｎｇ－Ｙｗａｎ等人利用選擇性激光熔覆和銑削複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。該系統的設計結構如圖１２所示，由ＲＳ８２０１．５ＫＷＣＯ２激光器、同軸送粉系統、四軸聯動加工及控制系統、系統軟體以及氣體保護裝置組成。由於工件距離激光頭比較近，在沉積掃描過程中會產生大量的熱，從而影 響粉末融態的流動性，不利於零件的成形質量，因此 該系統採用了一種新型水冷式噴頭（如圖１３所示） 。

該系統的軟體功能和ＨＬＭ等軟體一樣，包括各種參數的設置、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，該系統在沉積兩層或者三層，達到設置厚度後，再進行平面銑削。在成型過程中金屬粉末成熔融狀態，由於表面張力的作用，熔覆橫截面形狀成圓弧形，而且由於粉末流流速太快或者直徑太大，出現未熔化粉末沉積現象。沉積下一層時，熔態粉末會沿著上一層的表面流動，並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。該系統採取沉積兩層或三層後進行平面銑削，很好的解決了這個問題，而且保證了成型效率和質量。由於採用同軸送粉激光熔覆工藝，該系統成型件精度比較高。

２．６超聲波增材製造（ＵＡＭ）

超聲波增材製造（Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃａｄｄｉｔｉｖｅｍａｎｕｆａｃｔｕｒ－ｉｎｇＵＡＭ）技術是超聲波焊接和數控加工結合的一種固態複合加工技術，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焊接。在疊加完一層或幾層後，利用ＣＮＣ技術去除多餘材料，獲得理想的幾何尺寸和精度；然後進行另一層的疊加，如此循環直至獲得完整零件，如圖１４所示。ＵＡＭ技術優勢：無飛濺和氧化等現象；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等人創新性的採用一種基於晶體塑性 有限元模型（ＤＤＣＰ－ＦＥＭ）框架的位錯密度技術研究了ＵＡＭ成型中Ａｌ３００３Ｈ－１８亞晶粒的形成機理，並給出了準確預測。Ｊａｍｅｓ等人進行了ＵＡＭ成型中粘滑運動動力學分析研究。現在ＵＡＭ技術已經進入了商業化階段，德國的Ｆａｂｒｉｓｏｎｉｃ公司於2013年12月推出了兩組新的超聲波３Ｄ印表機，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，不同的是該系統增材製造部分採用的是基於粉末的微束等離子快速成形技術，相比於ＡｒｃＨＬＭ，ＨＰＤＭ技術，其採用等離子成形技術，熱輸入量高、光斑半徑更小、能量集中，因而沉積速度更快。離子束質量十分穩定，因而自動化程度更高，而且雜訊小，但成本比ＡｒｃＨＬＭ高，而且由於採用粉末，形成熔池，因而成形更不好控制。相比於ＣＭＢ等採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等人研究了基於堆焊的複合成型技術中，銑削對材料性能的影響。他們利用基於堆焊的複合成型技術製備了兩種試樣，一種試樣在成型過程中每沉積掃描一層後，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，並得出結論：銑削加工對成型零件的微觀組織形態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等人對增減材複合製造的軟體系統進行了大量的研究。他們首先提出了一種新的確定加工方向的演算法，該演算法綜合考慮製造過程中的沉積特徵和銑削特徵，並進 行優化來確定加工方向。在確定加工方向後，又研究了一種基於凹邊識別的分層演算法，該方法綜合考慮了刀具的可加工性、最大分層厚度、最小分層數量等因素，實驗證明該方法分層數量更少，具有廣闊的應用前景。

日本松浦機械製作所推出商業化ＬＵＭＥＸＡ－ｖａｎｃｅ－２５複合光造型機，具體是用激光燒結和銑削工藝結合的方式（ＳＬＭ燒結＋銑削），實現高精度的成型效果。他們主要利用金屬光造型複合加工進行零件快速成型，實現激光燒結、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網狀、縮短時間、降低成本、３Ｄ自由曲面及一體化結構等優勢。複合光造型機能反覆進行金屬光造型和採用立銑刀的高速、高精度切削加工，實現了與加工中心相當的尺寸精度和表面粗糙度。

３基於增減材的複合加工技術發展方向

由於融合了增材製造和減材製造技術優勢， 基於增減材的複合加工技術能快速製備出不同材料的高精度、高質量的複雜形狀零件，縮短製造周期，節省材料，降低成本，增強產品競爭優勢，特別有利於複雜形狀、多品種、小批量零件的生產，具有廣闊的應用前景。 但由於基於增減材的複合加工技術研究剛剛起步，並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後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努力的方向。

（１）軟體系統的研發。目前，所有的複合加工系統軟體，都是在快速成型技術軟體的基礎上所進行的改進和集成，其基本過程和快速成型軟體基本相同，但這並不能夠完全發揮出複合加工技術的優勢。未來軟體的開發，應該基於複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性融合。

（２）控制系統的研發。由於在零件成形過程中，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，因此對於刀具和沉積的準確定位和控制尤為重要。而現在幾乎所有的基於增減材的複合加工系統，幾乎沒有反饋控制，因此如何實現對加工過程的實時檢測和反饋，形成閉環控制，需要進一步研究。

（３）成型尺寸的擴展。上述介紹的基於增減材的複合加工技術主要應用於模具、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。由於成型的零件具有不同的特徵性質，因此所採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，並保證運行的協調性和高效率是需要研究的問題。

增材製造由於其獨特技術優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展，因此，同減材製造相結合的複合加工技術逐漸成為研

究的焦點。本文在闡述增減材複合加工原理的基礎上，詳細介紹了多種複合加工技術的原理和特點。通過總結現有複合加工技術的研究現狀，指出未來的研究方向。

編輯：南極熊

作者：馬立傑，樊紅麗，盧繼平，龐璐（北京理工大學機械與車輛學院）

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