增減材混合制造的研究進(jìn)展

果春煥，王澤昌，嚴(yán)家印，袁 丁，姜風(fēng)春，王建東，牛中毅

哈爾濱工程大學(xué)材料科學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院，哈爾濱 150001

增材制造（AM）又被稱為3D打印，是指直接使用疊層堆積方式由計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）模型構(gòu)建三維部件的制造工藝.在過去30年中，增材制造已經(jīng)適用于多種材料、尺寸的零部件制造，在多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用.如今通用電氣（GE）、空客（Airbus）這樣的工業(yè)巨頭已經(jīng)將3D打印技術(shù)推向產(chǎn)業(yè)化.主流的增材制造方法包括選擇性激光熔化（SLM），選擇性激光燒結(jié)（SLS），熔融沉積建模（FDM），激光工程凈成形（LENS），電弧增材制造（WAAM）和電子束熔化（EBM）等.相對于傳統(tǒng)的數(shù)控加工，壓力加工與鑄造等制造工藝，增材制造在復(fù)雜度較高的零件構(gòu)建上有著巨大的優(yōu)勢；同時(shí)，其材料利用率高、成形周期較短，因此增材制造受到經(jīng)常使用高硬度金屬材料并需要進(jìn)行精密加工的民航工業(yè)以及國防工業(yè)的重點(diǎn)關(guān)注.工業(yè)界一度認(rèn)為這種顛覆性的制造技術(shù)會(huì)挑戰(zhàn)傳統(tǒng)制造工藝的地位.

然而，隨著人們對增材技術(shù)的了解越發(fā)深入，這種工藝的缺點(diǎn)也逐步浮現(xiàn).增材技術(shù)利用高能能量源逐點(diǎn)逐層熔化和凝固材料，不可避免地會(huì)在相鄰層之間存在臺(tái)階效應(yīng)等負(fù)面影響，導(dǎo)致表面質(zhì)量、尺寸精度較低.因此，增材制造的零件表面精度達(dá)不到機(jī)加工的水平，而如航空航天領(lǐng)域的精密部件對尺寸公差的要求十分嚴(yán)苛，單純依賴增材制造構(gòu)建的零件難以滿足其精度要求.此外，大規(guī)模生產(chǎn)情景下增材制造的生產(chǎn)效率低于傳統(tǒng)工藝.AMT的制造技術(shù)副總裁Tim Shinbara認(rèn)為，傳統(tǒng)加工的效率是增材制造效率的3倍，這是增材制造無法取代傳統(tǒng)加工技術(shù)的重要原因[1].傳統(tǒng)工藝經(jīng)過長期的發(fā)展積累已經(jīng)十分成熟，除了在精度、效率、表面質(zhì)量方面的優(yōu)勢，傳統(tǒng)制造產(chǎn)業(yè)有種類豐富、價(jià)格較低的商用機(jī)床，大量經(jīng)驗(yàn)豐富的操作工人，統(tǒng)一的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，這些都是增材制造難以企及的優(yōu)勢.歐洲增材領(lǐng)域代表性企業(yè)SLM Solutions全球市場營銷副總裁Stefan Ritt認(rèn)為，3D打印與傳統(tǒng)加工方式的關(guān)系是互補(bǔ)而不是替代，傳統(tǒng)加工與3D打印將會(huì)并存.3D打印將成為整個(gè)加工鏈的一環(huán)[2].

增減材混合制造主要有以下優(yōu)勢：1)相對增材/減材工藝部件有更高精度、表面質(zhì)量；2）材料利用率最高可達(dá)97%；3）加工過程中工件無需移動(dòng)，降低了移動(dòng)帶來的定位誤差和碰撞事故；4）單一機(jī)床代替了復(fù)雜的工藝鏈，節(jié)省車間空間的同時(shí)更加節(jié)能環(huán)保；5）能加工增材制造難以成形的內(nèi)部精細(xì)結(jié)構(gòu)和垂懸結(jié)構(gòu)；6）總投資較低，混合機(jī)床的價(jià)格低于整條工藝鏈所需的設(shè)備，且增減材工藝在混合機(jī)床中共享軟硬件平臺(tái)（引導(dǎo)系統(tǒng)，機(jī)床結(jié)構(gòu)，數(shù)字控制（CNC）系統(tǒng)，用戶界面）.因此，增減材制造受到了眾多工業(yè)巨頭的青睞.本文將分別從基于電弧、激光以及其他能量源的增減材制造技術(shù)的研究現(xiàn)狀和增減材制造工藝規(guī)劃的研究進(jìn)展來介紹增減材混合制造這門技術(shù)的最新發(fā)展現(xiàn)狀.

1 增減材混合制造技術(shù)的國內(nèi)外研究進(jìn)展

1.1 增減材混合制造的技術(shù)原理

Chang等[3]首先提出增減材混合制造（Additive/subtractive hybrid manufacturing, ASHM）這一概念，即融合增/減材制造各自的優(yōu)勢，通過增材制造一層或多層后，利用銑削等減材制造方法將零件精加工至設(shè)計(jì)尺寸和形狀，增減材制造交替或同步進(jìn)行（如圖1所示），以提高成形件的表面質(zhì)量和成形效率.由于不同能量源在增材制造成形的過程中有不同的特點(diǎn)和適用范圍，本文將按照增材制造所利用的各種能量源，逐類闡述電弧、激光以及其他能量源條件下增減材混合制造裝備的研究進(jìn)展情況.

圖1 增減材混合制造原理圖[4]Fig.1 Schematic of the ASHM process[4]

1.2 基于不同能量源的增減材混合制造研究進(jìn)展

1.2.1 以電弧為能量源的混合制造

電弧熔絲與銑削的結(jié)合是增減材混合制造最常見的形式，即借助電弧產(chǎn)生的高溫熔化絲材沉積一層材料后，再對沉積層精密銑削得到平整的表面，如此往復(fù)制得高精度零部件.

張海鷗等[5]發(fā)明了“智能微鑄鍛銑混合制造”技術(shù)（如圖2所示），即將電弧微鑄增材成形與連續(xù)微鍛等材成形、銑削減材成形方法混合，在沉積層半凝固微區(qū)對其進(jìn)行同步連續(xù)微鍛造來細(xì)化沉積層晶粒，并采用數(shù)控銑削方式去除后續(xù)難加工和缺陷部分.此工藝具有流程短，能耗低，設(shè)備一體化、小型化的優(yōu)勢，且成形零件的力學(xué)性能優(yōu)于同種材料的傳統(tǒng)鍛件，是一種新型綠色制造方法.Akula等[6]和Karunakaran等[7]開發(fā)了一種搭載了CNC銑削和熔化極氣體保護(hù)焊（GMAW）兩種工藝的混合機(jī)床及基于PLC的機(jī)床控制系統(tǒng).混合加工中沉積與銑削交替進(jìn)行，一旦達(dá)到近凈形狀，就進(jìn)行精銑削以完成零件.在測試了成形件性能后，發(fā)現(xiàn)該方法制造的零件雖在機(jī)械性能上不如傳統(tǒng)方式制造的零件，但幾何精度在CNC銑削之后可達(dá)±0.030 mm.該團(tuán)隊(duì)也分析了沉積參數(shù)在增減材混合制造中的影響，發(fā)現(xiàn)了材料微觀結(jié)構(gòu)隨沉積參數(shù)的變化規(guī)律，以及結(jié)構(gòu)零部件在增材過程由于升降溫不均勻產(chǎn)生了變形.

圖2 智能微鑄鍛銑混合制造原理圖[5]Fig.2 Principle of smart micro-casting, forging, and milling[5]

Karunakaran等[7]和Sreenathbabu等[8]提出一種基于電弧熔絲的電弧混合疊層制造工藝（ArcHybrid-layered manufacturing，ArcHLM），在每道沉積層完成后進(jìn)行CNC端面銑削處理，得到的光潔表面有利于良好的層間結(jié)合.為避免在制造過程中升降增材噴嘴時(shí)發(fā)生碰撞，在混合機(jī)床配備了氣動(dòng)制動(dòng)器；焊接電源安裝在機(jī)床的保護(hù)板內(nèi).對于增減材混合加工中冷卻這一難點(diǎn)問題，則采用帶有Z字形冷卻管的多孔夾具來改善沉積與機(jī)加工過程中的散熱（如圖3）.ArcHLM工藝在制造金屬刀具和模具時(shí)能節(jié)省大量的時(shí)間和成本，更重要的是將增材制造和精加工整合到單一平臺(tái)上進(jìn)行統(tǒng)一控制，可以說是增減材混合加工機(jī)床開發(fā)最早的嘗試之一.

圖3 ArcHLM工藝采用的帶有冷卻管的夾具[7]Fig.3 Universal fixture with coolant ducts used by ArcHLM[7]

Song等[9]將兩個(gè)GMAW焊槍集成在3軸機(jī)床的主軸旁，交替進(jìn)行沉積和銑削操作，得到致密度在90%以上的零部件，銑削后的部件表面粗糙度（Ra）達(dá)2 μm，拉伸強(qiáng)度與低碳鋼絲相當(dāng).Song等[10]還使用該設(shè)備制造了多材料零件，即用兩個(gè)增材噴嘴分別沉積不同的材料，將低碳鋼芯包裹在不銹鋼外殼內(nèi)，得到了強(qiáng)度高、韌性好的組合零件，兩種材料可以在電鏡下觀察到明顯的界面.

目前基于電弧的增減材混合制造普遍采用3軸或5軸機(jī)床或機(jī)器人作為運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，搭載改裝的焊接設(shè)備沉積材料.為避免焊槍阻礙CNC加工操作，一部分設(shè)備為焊槍增加了伸縮功能.這類工藝通常只對沉積層頂面銑削，缺少對層間輪廓銑削的嘗試，因此制造出的零部件結(jié)構(gòu)相對簡單，沒有懸垂和內(nèi)部精細(xì)結(jié)構(gòu).

1.2.2 以激光為能量源的混合制造

在主要的增材制造工藝中，電弧增材制造的零部件存在精度差與變形的缺陷，且使用電導(dǎo)率低下的絲材時(shí)沉積效果差，這些局限性使研究人員將目光轉(zhuǎn)向了激光.

Kerschbaumer和Ernst[11]報(bào)道了一種激光熔覆和CNC混合加工系統(tǒng)，將Nd：YAG激光熔覆頭和送粉系統(tǒng)集成到商用R?ders 5軸數(shù)控機(jī)床中，5軸機(jī)床允許在多個(gè)構(gòu)建方向上沉積材料，避免熔融材料沿傾斜表面流動(dòng)，同時(shí)顯著降低對支撐結(jié)構(gòu)的要求；5軸機(jī)床的靈活性還使得減材過程中刀具可加工區(qū)域增多.該研究發(fā)現(xiàn)，在交替激光熔覆和切削操作中，由于粉末原材料對熔覆環(huán)境要求嚴(yán)苛，在加工過程中無法使用切削液，成形效率大打折扣.

Jeng和Lin[12]使用選擇性激光熔覆（SLC）和銑削混合工藝制造了金屬快速原型和模具.利用激光直接熔化噴嘴噴出的金屬粉末形成熔覆層，再對熔覆層的頂部和側(cè)面進(jìn)行銑削以達(dá)到預(yù)期的精度.對完成的模具注塑，結(jié)果表明模具的幾何精度和致密度良好.

利用選區(qū)激光熔化（SLM）在金屬增材部件上構(gòu)建精細(xì)垂懸結(jié)構(gòu)是一大難點(diǎn).精細(xì)外部結(jié)構(gòu)太脆弱，無法承受下一層粉末的沖擊，傳統(tǒng)的減材工藝也很難處理這種類型的特征.為解決這一問題，Yasa等[13]采用獨(dú)特的混合制造工藝，即在選區(qū)激光熔化設(shè)備上，以兩種不同模式運(yùn)行Nd：YAG激光器，以執(zhí)行兩種不同的制造工藝.第一種是增材SLM工藝，此時(shí)激光器以連續(xù)模式工作；第二種工藝是選區(qū)激光侵蝕（SLE），利用脈沖模式的激光在SLM工藝之后去除工件多余材料.研究表明，結(jié)合SLM和SLE可有效改善SLM部件的表面粗糙度，同時(shí)改善部件的孔隙率.此外，與SLE相結(jié)合提高了SLM的精細(xì)加工能力，可以構(gòu)建尺寸在50～100 μm范圍內(nèi)的內(nèi)外精細(xì)結(jié)構(gòu).這項(xiàng)研究僅通過參數(shù)變化，重新進(jìn)行機(jī)床配置即可實(shí)現(xiàn)混合加工方式，這提醒了研究者，混合加工并不只是將不同工藝的硬件模塊組合在一起，一臺(tái)設(shè)備不經(jīng)改裝也可能通過不同的加工方式實(shí)現(xiàn)混合加工.

Du等[4]和白倩等[14]結(jié)合選區(qū)激光熔化（SLM）與精密銑削技術(shù)，以18Ni馬氏體鋼為原料進(jìn)行了增減材混合制造，制備出性能、精度、表面質(zhì)量均優(yōu)于由鍛造與增材制造方法制造的零件.他們發(fā)現(xiàn)，與增材零件相比，經(jīng)過銑削后的零件在凝固過程中引入的殘余應(yīng)力較小.李青宇等[15]設(shè)計(jì)并搭建了國內(nèi)首臺(tái)高校自制五軸激光熔覆與銑削增減材混合設(shè)備，并且成功完成了金屬零件的制造、加工和修復(fù)工作.中南大學(xué)粉末冶金研究院采用國內(nèi)首臺(tái)增減材混合加工中心DMG MORI LASERTEC 65 3D完成了不銹鋼粉末的增減材制造，制造過程中結(jié)合了激光沉積工藝與5軸數(shù)控銑削，得到的零件力學(xué)性能與鍛件相當(dāng)，并成功實(shí)現(xiàn)了異性渦輪增壓殼體等復(fù)雜形狀零件的精密制造[15-16].

磨削也可以成為混合加工的一部分，如L?ber等[17]利用磨削將316L不銹鋼增材部件的表面粗糙度由15 μm降低至0.34 μm.Rossi等[18]報(bào)道，經(jīng)過磨削處理后，Ni-Fe-Cu部件在水平表面上的表面粗糙度從12 μm減小到4 μm，在垂直表面從15 μm減小到13 μm.增材零件復(fù)雜的幾何形狀對傳統(tǒng)磨削提出了挑戰(zhàn).為了應(yīng)對這種挑戰(zhàn)，Beauchamp等[19]使用形狀自適應(yīng)磨削來對Ti6Al4V金屬增材制造零件后處理，該工藝使用三種不同的金剛石磨粒磨削零件表面，獲得10 nm的表面粗糙度.

Sitthi-Amorn等[20]開發(fā)了名為MULTIFAB的增減材混合制造設(shè)備，其主體是一個(gè)用于材料沉積的機(jī)械臂，可以被集成到另一個(gè)5軸機(jī)床中.該系統(tǒng)適用于電弧和激光、等離子等能量源的能量直接沉積（DED）工藝.主要功能為工件掃描建模，通過對工件幾何形狀進(jìn)行逆向工程，實(shí)現(xiàn)高價(jià)值金屬部件的維修.

目前，基于激光的混合制造占據(jù)了混合制造的主流位置.由于激光能量源具有高度可控的特點(diǎn)，與減材技術(shù)結(jié)合后可以制造精度最高、形狀最復(fù)雜的零部件，因此已被一些企業(yè)應(yīng)用于精密零件的維修.眾多知名機(jī)床制造商如Hermle、Mazak等也相繼研發(fā)出大量基于激光的增減材混合機(jī)床.但激光混合制造也存在一些問題，如：理論上激光可以用于大多數(shù)金屬材料的增材制造，但是高反射率的材料能量吸收效率較低；切削液在激光熔覆過程中難以使用，缺乏有效的散熱手段將會(huì)影響加工效率等.

1.2.3 基于其他能量源的混合制造

Xiong等[21]提出一種混合等離子體沉積和銑削（HPDM）工藝（如圖4所示），即利用等離子弧熔融粉末完成一道沉積層時(shí)，在其頂部進(jìn)行平面銑削加工，獲得具有一定厚度的光滑表面，以便進(jìn)一步沉積，內(nèi)外表面輪廓采用T型槽銑刀輪廓銑削加工，去除表面殘余的階梯，獲得近凈形金屬部件的精細(xì)表面質(zhì)量.由HPDM制造普通三軸機(jī)床難以制造的扭轉(zhuǎn)葉片，經(jīng)過滲透探傷檢測，發(fā)現(xiàn)表面無裂紋、孔隙或缺陷.該工藝在無潤滑液和冷卻液的條件下進(jìn)行高溫干銑，導(dǎo)致刀具、工件和廢料之間的摩擦力迅速增加，切削力的增加導(dǎo)致切削能快速增加，工作區(qū)域溫度升高，大大縮短了刀片壽命.研究表明，采用風(fēng)冷降溫能顯著減少刀具磨損，延長刀具壽命.

圖4 等離子沉積銑削工藝示意圖[21]Fig.4 Schematic of the HPDM process[21]

Zhu等[22]整合了熔融沉積成形（FDM）、CNC銑削、檢測裝置，在單一平臺(tái)上以熱塑性塑料為原料制造零部件，成形過程中部件發(fā)生了變形和質(zhì)量降低.這是由于制造過程中部件被分解為逐個(gè)構(gòu)建的多個(gè)子部件進(jìn)而組合，沉積的新子部件（205 ℃）與先前制造的子部件（20 ℃）之間的溫差引起殘余應(yīng)力，導(dǎo)致部件變形.該課題組后續(xù)將建立有限元分析（FEA）模型，期望根據(jù)不同的沉積模式和刀具路徑模擬3D瞬態(tài)熱傳導(dǎo)和對流，預(yù)測變形程度和零件公差.這項(xiàng)研究對于混合制造這種新興工藝的優(yōu)化至關(guān)重要.

Fabrisonic公司的超聲增材制造技術(shù)（UAM）是一種獨(dú)特的金屬增材制造技術(shù)[23].UAM技術(shù)中使用超聲波去熔融用普通金屬薄片拉出的金屬層，從而完成金屬部件的增材制造.該方法能夠?qū)崿F(xiàn)真正冶金學(xué)意義上的粘合，并可以使用各種金屬材料，如鋁、銅、不銹鋼和鈦等.Fabrisonic的方法可以同時(shí)“打印”多金屬材料，該工藝能夠使用成卷的鋁或銅質(zhì)金屬箔片制造出帶有高度復(fù)雜內(nèi)部通道的金屬部件.UAM的制造過程為，使用頻率高達(dá)20 kHz的超聲波施加在金屬片上，用超聲波的振蕩能量使兩個(gè)需焊接的表面摩擦，構(gòu)成分子層間的熔合，然后以同樣的原理逐層連續(xù)焊接金屬片.之后，通過機(jī)械加工來實(shí)現(xiàn)精細(xì)的3D形狀，從而形成堅(jiān)實(shí)的金屬物體.

冷噴涂是一種獨(dú)特的增材制造工藝，利用高壓氣體將極細(xì)的粉末材料以超音速噴射到基板或目標(biāo)工件表面，顆粒與零件表面擴(kuò)散結(jié)合，以修復(fù)或成形零件.這種工藝無需熔化金屬，從而避免了熱應(yīng)力與亞穩(wěn)相的引入.但冷噴涂生產(chǎn)的復(fù)合材料涂層由于過分的彌散強(qiáng)化喪失了大部分延展性，這是由于增強(qiáng)顆粒分布不均以及涂層與基材之間存在明顯的界面.Peat等[24]為改善這一問題，研究了冷噴涂與攪拌摩擦處理相結(jié)合的工藝.研究表明，攪拌摩擦處理產(chǎn)生的剪切力大幅細(xì)化了增強(qiáng)顆粒，其分布更加均勻.此外，晶界偏聚物也在處理后分散.處理后的涂層硬度增加了120%，抗腐蝕性能也大幅改善.Courbon等[25]對冷噴涂的鈦合金涂層進(jìn)行球磨處理，結(jié)果表明，涂層表面的拉應(yīng)力變?yōu)閴簯?yīng)力.

在上述混合制造技術(shù)中，等離子弧的優(yōu)缺點(diǎn)與電弧相近，此處不再贅述；熔融沉積成形是塑料增材制造的主要工藝之一，但在使用強(qiáng)韌性較低的材料時(shí)易出現(xiàn)斷絲現(xiàn)象；超聲波增材制造受限于功率，只能用于厚度較小的箔材，對厚板或高強(qiáng)度材料固結(jié)效果不理想；冷噴涂工藝由于其眾多優(yōu)勢，近年來得到了廣泛的研究與應(yīng)用，該技術(shù)能完成陶瓷、高分子、金屬等多種材料的噴涂，冷噴涂與減材技術(shù)結(jié)合，將成為一種極具前景的混合制造技術(shù)，對國防與航天領(lǐng)域的涂層制備至關(guān)重要.

1.3 增減材混合制造的工藝規(guī)劃

工藝規(guī)劃是指從識別、切分部件模型到生成加工序列，確定刀具路徑、工藝參數(shù)的工藝設(shè)計(jì)方法.增減材混合制造與傳統(tǒng)的減材技術(shù)在工藝規(guī)劃上有很大的差別.首先，在減材過程中，利用刀具減去整塊坯料上多余的材料，直至達(dá)到目標(biāo)形狀和尺寸.如果零件的形狀比較復(fù)雜，通過減材技術(shù)加工出零件的各種特征不僅材料浪費(fèi)多、耗時(shí)長，其刀具可達(dá)性也限制了減材零件的復(fù)雜程度.在細(xì)長桿刀具加工具有彎曲、狹窄空腔特征的零件（例如葉輪）時(shí)，刀具和特征很可能會(huì)發(fā)生碰撞，該問題也限制了刀具的選擇，并影響刀具對齊的平滑性.但是，增減材混合制造在基板上先進(jìn)行增材操作，隨后再通過減材操作去除多余材料，通過合理的序列和路徑優(yōu)化，其刀具碰撞的可能性大大降低，因此可以加工復(fù)雜度更高的零件.傳統(tǒng)的增材和減材工藝規(guī)劃通常是一個(gè)單調(diào)的過程，每一步增材/減材的操作都會(huì)使工件在尺寸和形狀上更接近目標(biāo)狀態(tài).在這一過程中，工件在中間狀態(tài)下的大小會(huì)持續(xù)增加/減小，而不會(huì)回到上一步操作的狀態(tài)，在滿足目標(biāo)狀態(tài)后程序即終止.而增減材混合制造的工藝規(guī)劃不同，增材與減材交替進(jìn)行，工件的大小可能會(huì)變大或變小；與單向增/減材料的工藝規(guī)劃相比，混合制造的工藝規(guī)劃可能會(huì)出現(xiàn)反復(fù)添加和減去相同材料的周期，并可能無休止地循環(huán)[26].

工藝規(guī)劃會(huì)從多方面影響成形件的性能、尺寸精度和幾何精度.首先是模型文件的切片策略：分層厚度越小，成形工件的精度和表面精度越好，總體成形時(shí)間越長.其次是工藝參數(shù)的選擇：能量源的功率和成形速度決定了熱歷史，熱歷史會(huì)影響熔池的幾何形狀，而熔池形狀過大或過小都會(huì)使成型零件的幾何精度降低，導(dǎo)致工件無法滿足公差要求.另外，冷卻過程中，過大的溫度梯度和工件不同位置的冷速差異也會(huì)導(dǎo)致成形部件中殘余應(yīng)力過大，可能會(huì)導(dǎo)致零件變形甚至斷裂.因此，根據(jù)零件形狀和材料選擇合理的工藝參數(shù)，是保證零件性能和幾何、尺寸精度的關(guān)鍵.

另外，零件修復(fù)與新零件制造在工藝規(guī)劃方面有不同的側(cè)重點(diǎn)：零件修復(fù)過程需要首先對破損部位進(jìn)行三維掃描，測量尺寸并特征化零件結(jié)構(gòu)，逆向工程生成模型，隨后在修復(fù)的過程中根據(jù)監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行工藝參數(shù)與增減材操作的實(shí)時(shí)調(diào)整，確保修復(fù)部分的尺寸、形狀與性能接近原部件.此過程中，最重要的步驟是建立準(zhǔn)確損壞部分模型.新零件制造更加強(qiáng)調(diào)切片策略，將復(fù)雜零件分解成層片或子部件，確定子部件的建造方向，建立并優(yōu)化增減材操作的序列.此過程中，關(guān)鍵步驟是合理的切片策略與操作序列的優(yōu)化，要兼顧避免刀具與特征碰撞、可加工性、特征支撐、節(jié)約時(shí)間與材料等關(guān)鍵問題.本節(jié)將以切片策略、掃描建模與實(shí)時(shí)監(jiān)測、效能評估為側(cè)重點(diǎn)介紹增減材混合制造工藝規(guī)劃的研究進(jìn)展.

為了優(yōu)化制造資源、節(jié)省時(shí)間并最小化幾何復(fù)雜性，增減材混合制造有必要開發(fā)部件分解算法，采取最佳工藝規(guī)劃和決策.以修復(fù)操作為例，Eiamsa-Ard等[27]設(shè)計(jì)了以混合工藝修復(fù)零件的4個(gè)主要工藝規(guī)劃步驟：（1）確定磨損/損壞的結(jié)構(gòu)；（2）生成移除損壞/磨損結(jié)構(gòu)的加工刀具路徑；（3）生成修復(fù)磨損/損壞的過程的沉積刀具路徑；（4）將刀具路徑后處理成加工代碼.

Le等[28]基于以上思路提出一種新的成形策略，將輸入的3D模型與損壞工件部件特征細(xì)分為增材特征與機(jī)加工特征，然后合理規(guī)劃增材、減材、檢查三種操作的序列，最終實(shí)現(xiàn)零件的維修與再制造.Kulkarni[29]使用零件STL文件的等間距平面切片來識別逐層過程計(jì)劃和刀具路徑的方法被稱為“零階”邊緣近似.為了減小階梯效應(yīng)，算法將原始厚切片進(jìn)一步分解成精細(xì)切片，以將部件幾何形狀表示為適當(dāng)?shù)木?Karunakuran[7]也使用零階邊緣近似來計(jì)算切片厚度和零件設(shè)計(jì)的分層，在每一層中沿Z字形或螺旋方向構(gòu)建材料.對每個(gè)沉積層進(jìn)行面銑，以統(tǒng)一沉積層的高度并去除表面缺陷.

等間距切片策略經(jīng)過優(yōu)化后誕生了自適應(yīng)切片策略.Zhang和Liou[30]改變了切片的方向，以減少懸垂幾何形狀對支撐結(jié)構(gòu)的依賴性.該算法先計(jì)算出最佳切片方向，然后檢查刀具可訪問性.Ruan等[31]通過引入非均勻?qū)訕?gòu)建進(jìn)一步推進(jìn)了這項(xiàng)工作，每一點(diǎn)的層厚度都隨位置變化.他們將構(gòu)建過程分為兩個(gè)階段（如圖5所示），沉積具有恒定厚度的均勻?qū)樱ǖ群駥樱?，然后切削掉多余材料形成非均勻?qū)樱搶禹斆娲怪庇谒惴ㄓ?jì)算出的下一層的優(yōu)選構(gòu)建方向.

圖5 非均勻?qū)訕?gòu)建策略示意圖[31].（a）非均勻?qū)?；（b）等厚層；（c）加工成等厚層Fig.5 Schematic of non-uniform-layer construction strategy[31]: (a) nonuniform thickness layer; (b) uniform thickness layer; (c) machining process to form uniform thickness layer

Kerbrat等[32]提出了用于部件劃分的混合和模塊化方法，以提高現(xiàn)有模型的可制造性；并基于CAD模型的八叉樹分解開發(fā)了可制造性指數(shù)計(jì)算軟件，以比較原始模型和修改后模型的制造難度.Chang等[3]通過識別增材構(gòu)建中的底切、非底切和非單調(diào)表面來分解零件，然后使用圖論來識別最小構(gòu)建序列.此外，他們在設(shè)計(jì)序列時(shí)還考慮到了避免切削刀具與現(xiàn)有零件結(jié)構(gòu)之間的干涉.Joshi和Anand[33]開發(fā)出增減材零件分割算法和工藝決策方法，由算法生成的工藝計(jì)劃大幅減少了幾何復(fù)雜性，優(yōu)化了制造資源.此外，定義了一種稱為復(fù)雜性得分的新指標(biāo)，還開發(fā)了基于制造設(shè)計(jì)（DFM）規(guī)則的參數(shù)量化零件幾何復(fù)雜度的方法.他們提出的方法有助于在實(shí)際制造產(chǎn)品之前，檢測潛在的制造困難，并確定制造的最佳制造工藝.Ren等[34]開發(fā)了一種工藝規(guī)劃方法，能夠分解零件并為CNC加工和激光沉積生成不均勻的層厚度和刀具路徑.

Manogharan等[35]開發(fā)出了一種名為AIMS的混合制造系統(tǒng)，結(jié)合數(shù)字減影技術(shù)對沉積層的尺寸偏差實(shí)時(shí)檢測，并同步調(diào)整增減材操作的刀具路徑以修正沉積層的幾何形狀.Newman等[36]和Zhu等[37]開發(fā)出名為iAtractive的工藝規(guī)劃系統(tǒng)，包括在單一平臺(tái)上集成增材、減材工藝和監(jiān)測手段，該系統(tǒng)用于現(xiàn)有零件再利用和再制造.回收和遺留的零件也能被重新制作成新零件，且其新功能與原始零件不同.部件的再制造主要通過適當(dāng)?shù)貙υ鰷p材工藝進(jìn)行排序來實(shí)現(xiàn).通過掃描獲取的現(xiàn)有部件的幾何信息，根據(jù)生成的工藝計(jì)劃連續(xù)增加/減少材料.

Ranjan等[38-39]提出了“生產(chǎn)能力指數(shù)”概念，用于比較通過增材制造的不同零件設(shè)計(jì).Lutter-Günther等[40]分析了混合制造技術(shù)的成本和資源投入，建立了混合增材工藝的成本模型，該模型能夠分析給定部件的制造成本結(jié)構(gòu)以及混合制造機(jī)床操作的資源投入.

可以發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的增減材工藝規(guī)劃研究主要側(cè)重于模型分層策略的改進(jìn)、零件可加工性的評估與增減材工藝工序設(shè)計(jì)方面，但是從工業(yè)應(yīng)用的角度來看，增減材混合制造更需要一套實(shí)時(shí)的檢測反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)，以及配套的完整的閉環(huán)控制系統(tǒng).閉環(huán)控制的關(guān)鍵是加工之后的檢測步驟，但如何將滲透測量技術(shù)不受影響地整合到混合機(jī)床中是一大難點(diǎn).此外，工藝參數(shù)之間復(fù)雜的關(guān)聯(lián)性也增加了閉環(huán)控制的難度.

2 結(jié)束語與展望

增減材混合制造解決了增材制造中部分異形零件難以加工的問題，相比傳統(tǒng)的工藝流程大幅降低了成本，改善了增材制造的成形精度與表面質(zhì)量，并且還降低了凝固過程中引入的殘余應(yīng)力，在模具、醫(yī)療、航空航天、國防領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景.這門新興的技術(shù)雖然有著很好的應(yīng)用前景，但是目前仍然存在一些問題阻礙其大規(guī)模應(yīng)用.增減材混合制造未來需要解決的重點(diǎn)技術(shù)問題如下：

（1）機(jī)床冷卻系統(tǒng).殘留在沉積層的冷卻液蒸發(fā)會(huì)形成孔隙，影響沉積層的層間結(jié)合和力學(xué)性能；而加工后自然冷卻會(huì)影響制造的效率.增減材混合制造仍然需要可靠的冷卻系統(tǒng)應(yīng)對增材制造與機(jī)加工過程產(chǎn)生的熱量.

（2）機(jī)床保護(hù).增材制造所用粉末顆粒直徑小，如果機(jī)床密封不到位，粉末會(huì)污染引導(dǎo)系統(tǒng)干擾其平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)，而且會(huì)影響機(jī)床中的定位編碼器.當(dāng)處理高反射率材料（如鋁，銅）時(shí)，激光束的反射可能導(dǎo)致防護(hù)裝置或其他敏感元件特定區(qū)域熔化，需要保護(hù)裝置.

（3）增材制造部分仍需建立行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).傳統(tǒng)數(shù)控加工行業(yè)中，主軸、刀具接口、控制系統(tǒng)等，都建立在統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)之上，但增減材制造領(lǐng)域目前缺乏統(tǒng)一行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，這樣的標(biāo)準(zhǔn)建立需要漫長的時(shí)間.

（4）工藝規(guī)劃.對于形狀較為復(fù)雜的零件，由于層與層之間復(fù)雜的空間關(guān)系，工序往往需要資深工程師人為修正.為了提高成形效率與精度，需要開發(fā)更加智能、可靠的自動(dòng)模型切分與工藝規(guī)劃系統(tǒng).

（5）可靠的實(shí)時(shí)檢測手段與反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng).為了精準(zhǔn)控制增減材工藝中工件的幾何形狀，需要對熔池與沉積層進(jìn)行實(shí)時(shí)的成分與外形檢測，以確定減材精加工需要去除的材料量.檢測設(shè)備將信號反饋給NC系統(tǒng)后，需要準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)電源功率，送料速度等工藝參數(shù).考慮到熱力場模擬需要消耗的資源較大，增減材混合制造需要大量實(shí)驗(yàn)來建立類似于GTAW的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫.

增減材混合制造結(jié)合了兩種工藝的優(yōu)點(diǎn)，是一種高效、高精度的先進(jìn)制造技術(shù).相信隨著以上技術(shù)難題的解決，這門新興技術(shù)會(huì)成為多行業(yè)、多領(lǐng)域中生產(chǎn)和修復(fù)復(fù)雜零件的重要技術(shù).