【解析】基于增减材制造的复合加工技术

将增材制造（3D打印）与减材制造两种技术相结合目前可以说是越来越流行了，因为这样可以同时得到二者的优点。所以迄今为止，这样的混合加工设备已经出现了不少。接下来南极熊就为大家解析基于增减材制造的复合加工技术。
与传统的减材制造相比，增材制造其具有以下优点：

1.可迅速制造出自由曲面和更为复杂形态的零件，如零件中的凹槽、凸肩和复杂的内流道等。
2.材料利用率高，尤其是对昂贵的稀有材料来说，可大大降低成本。
3.高度自动化，人工干预小。
4.加工效率高，尤其对难加工材料，能快速制作出产品实体模型及模具。

ＲＰ技术的研究源于上个世纪８０年代中期。早期的ＲＰ技术主要应用于进行结构、装配、产品功能验证与测试，使用的材料仅局限于塑料、纸品、聚合物等。比如SLA（光固化立体成形）、SLS（选择性激光烧结）、FDM（融化沉积制造）、LOM（薄片层叠制造）等等已经广泛商业化的技术。随着技术的发展，ＲＰ技术的研究越来越集中于功能性产品的直接成形，使用材料为金属、陶瓷、合金以及各种功能性复合材料，这些技术包括Lａｓｅｒｃｌａｄｄｉｎｇ（激光熔覆）、3WEｅｌｄｉｎｇ（三维堆焊）、LENZ（激光近成形制造）、DMD（金属直接沉积制造）、SLM（选择性激光融化）、PDM（等离子熔积制造）、EBM（电子束熔融制造）等。

但是几乎所有的ＲＰ技术，几何尺寸精度和表面光洁度都不太理想，需要进行后处理，包括热处理、机加工（铣削、钻削）和抛光加工。这是由于其本身离散化过程中大都采用ＳＴＬ格式和二维的分层技术，从而造成尺寸的误差和阶梯效应。一般来说，分层厚度越小精度越高，但同样所需的时间也越长，从而增加了成本。而传统的机加工尤其是数控加工具有高精度、高效率、加工柔性好、工艺规划简单等特点，正好能够 弥补上述ＲＰ技术的缺点。因此，将增材制造（RP）和 减材制造（CNC）有效的结合，产生一种新的复合加工技术，具有广阔的应用前景。图１所示为增减材制造特征结合的技术优势。

１基于增减材制造的复合加工技术原理及特点
基于增减材制造的复合加工技术是从面向制造的产品设计阶段、软件控制设计阶段以及加工阶段将增材制造和减材制造相结合的一种新的技术。该技术是一种添加／去除材料的过程，以“离散－堆积－控制”的成型原理为基础，如图２所示。首先在计算机中生成最终功能零件的三维ＣＡＤ模型；然后将该模型按一定的厚度分层切片，即将零件的三维数据信息转换为一系列的二维或三维轮廓几何信息，层面几何信息融合沉积参数和机加工参数生成扫描路径数控代码，成型系统按照轮廓轨迹逐层扫描堆积材料和加工控制（对轮廓或表面进行机加工）；最终成型三维实体零件。

从复合加工技术的原理可以看出，该技术与ＲＰ技术的基本思路是一致的，其实质就是ＣＡＤ软件驱动下的三维堆积和机加工过程。由于采用机加工控制来消除台阶效应，并保证精度，因此在沉积过程中可以采取大喷头和大厚度等低分辨率的沉积来提高加工速度。一个基本的复合加工快速成型系统应该由以下几个部分组成：３或５轴ＣＮＣ立式加工中心（由于大部分ＲＰ系统都是立式结构，所以该加工中心也应该是立式结构），沉积制造部分，送料系统，软件控制系统，辅助系统。

２基于增减材制造的复合加工技术研究分析
随着增材制造的发展以及其局限性的突出，国 际上越来越多的学者和研究机构把目光转向基于增减材的复合加工制造。相比于国内，国际上对基于增减材制造的复合加工技术的研究开展的比较早，研究的内容也比较多。但总的来说，该项技术仍然处于 研究与探索阶段。

２．１形状沉积制造技术（ＳＤＭ）
形状沉积制造技术最早由美国斯坦福大学研究发展，他们将去 除法和添加法结合在一起，形成自己的ＳＤＭ技术， 所用材料分为成形材料和支撑材料，包括不锈钢、钛 合金、铝合金、铜合金等，所成形的零件具有很高的 精度。基本过程如图３所示，每沉积完一层材料，用数控加工的方法（３或５轴加工中心）将该层零件 或支撑材料加工成形到零件的表面外形后继续下一 层的沉积，最后去除支撑材料。

ＳＤＭ添加材料的过程根据零件的材料可采用不 同的方法，其几何分层方法可以采用三维的具有任 意厚度且不一定是平面的几何分层，如图４所示。 因此零件精度与分层的厚度无关，可以采用大厚度 分层来提高零件的制造速度，并可消除常规的快速 原型制造方法制造的带有倾斜表面的零件中常见的 台阶效应，得到光滑的零件表面。Ｊｏｒｇｅ等人研究了ＳＤＭ技术在仿生机器人中的应用，并制备了具有功 能梯度和嵌入结构的组件，如图５所示。

２．２模具形状沉积制造技术（ＭｏｌｄＳＤＭ）
模具形状沉积制造是在形状沉积制造基础上演变而来的。ＭｏｌｄＳＤＭ特点是：首先采用ＳＤＭ方法制备模具，然后再进行注塑／浇注成型，如图６所示。ＭｏｌｄＳＤＭ成型过程需要三种不同材料：支撑材料、模具材料和零件材料。支撑材料部分定义了模具的型腔，围绕在支撑材料周边的模具材料部分定义的是模具本身，可以简单地把工艺过程划分为四步：采用ＳＤＭ技术逐层叠加成型（１－４步）；去除支撑材料（５步）；注塑／浇注（６步）；去除模具材料，机加工最终成形（７、８步）。 ＭｏｌｄＳＤＭ技术相比于ＳＤＭ技术的优势在于：由于最终零件的成型采用的是注塑／浇注方法，所以成型零件没有分层分界线，模具（５步）有两条分层分界线，支撑部分（３、４步）有一条分界线，特别适用于像陶瓷这类易于产生缺陷和层间粘结性差的材料，对难加工材料来说，可大大减少机加工部分。

ＭｏｌｄＳＤＭ可以制造出高性能的功能性零件以及预装配组件和具有梯度功能材料的零件。其成型件质量主要取决于模具和支撑材料的材料特性，主要 有：低的伸缩率可以减少成型件的翘曲变形；好的结合性可以承受更大的切削力，减小切削力对变形的影响；高的化学相容性可以获得更均匀的微观组织；去除性好的支撑材料可以降低去除支撑时对成型件的影响。

但是，ＭｏｌｄＳＤＭ技术才有自身的缺点：
一是，可使用的材料种类少。由于成型过程中增加了额外的材料，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围；
二是，额外的注塑／浇注和模具去除部分增加了成型过程时间；
三是，成 型件尺寸较小。

２．３控制金属堆积技术（ＣＭＢ）
德国弗朗和夫生产技术研究所融合材料添加和去除方法开发了控制金属堆积技术（ＣｏｎｔｒｏｌｌｅｄＭｅｔａｌＢｕｉｌｄｕｐＣＭＢ），该技术原理和ＬＥＮＳ／ＤＬＦ相似，只是在ＣＭＢ系统上配备了铣切装置，在扫描沉积了一层后，利用铣切来加工每一层的表面轮廓使之平整，这样就改善了零件的精度和表面光洁度。据报道在制 造不锈钢零件时，可以达到１００％致密度。该系统增材工艺采用同轴送丝激光熔覆技术，所用材料为所有可焊接金属。

ＣＭＢ系统主体是一个三轴立式铣削机床，沉积部分（包含激光源、送丝机构和气体保护装置）安装于主轴旁边。其过程为：沉积—铣削—沉积，如图７所示。铣削时，气动装置驱动沉积装置向上运动，已达到对沉积装置的保护以及消除和工件之间的干涉。由于每一层沉积时都有气体保护防止氧化，沉积后都进行平面铣削和仿形铣削来保证轮廓和表面精度，所以最终成型零件的精度很高，而且零件内部几乎没有缺陷。德国弗朗和夫生产技术研究所生产的ＣＭＢ系统主要用于模具生产，零件成形尺寸可达６００ｍｍ×６００ｍｍ×６００ｍｍ，精度可达０．０２ｍｍ。目前该技术研究所正致力于基于五轴或六轴加工中心的高度自动化ＣＭＢ技术开发研究。

２．４基于堆焊的混合加工系统（ＡｒｃＨＬＭ）
印度理工学院Ａｋｕｌａ等人研究了一种基于堆焊的混合加工系统。ＡｒｃＨＬＭ系统将脉冲惰性气体保护焊机集成到一个三轴的数控机床上，并通过定制的软件系统进行控制，其基本过程（图８所示）和ＣＭＢ技术相同，只是沉积扫描一层后，只进行平面铣削（去除缺陷及氧化层，保证达到预置的厚度），直到近净成形件完成，最后进行仿形铣削（消除台阶效应，保证尺寸精度及表面光洁度）。

该系统优点是：高度自动化；材料为焊材，经济、快速（沉积速度５０～１００ｇ／ｍｉｎ）、安全；焊头安装在主轴上，改装简单；成型精度高，表面质量好。ＡｒｃＨＬＭ系统热量输入低，提高了成型质量的同时牺牲了成型时间；由于采用堆焊而不是激光沉积成型，该系统不适应于具有过度复杂和精细结构的零件，同时不能成形不同成分和组织的梯度功能材料结构。图９所示为ＡｒｃＨＬＭ设备。 ＡｒｃＨＬＭ整个过程可以分为三部分：零件的近净 成形；热处理；对近净成形零件精加工，如图１０所示。

零件的近净成形步骤为：
第一步，采用零阶近似边缘 和自适应分层（变厚度分层）技术自下而上进行分 层，生成每一层的沉积扫描路径和面铣削路径以及相互转换的Ｍ０８和Ｍ０９代码；
第二步，安装尽可能厚的基板；
第三步，设置工艺参数（功率、焊材直径、扫描方式、层厚、焊道宽度、加工余量、扫描速率、铣削参数以及Ｚ轴控制参数等）；
第四步，在基板上沉积较厚的底层以承受大热量输入，并对基板预热以获得好的粒度分布；
第五步，对每一层进行平面铣削来消除缺陷和去除氧化层，以获得良好的表面质量和达到设置的层厚；
第六步，重复４和５步直到近净成形完成。在整个过程中，进行热处理来消除零件内应力以及改善机械性能和提高疲劳寿命，由ＡｒｃＨＬＭ软件生成的ＮＣ代码驱动平头／球头铣刀自上而下进行精加工，完成轮廓表面或其他表面的处理。

图１１所示为ＡｒｃＨＬＭ软件系统生成的数控代码。 和Ａｋｕｌａ团队一样，韩国科学技术研究所Ｙｏｎｇ－ＡｋＳｏｎｇ团队研发了一种三维焊接和铣削复合加工系统，其过程原理及主体和ＡｒｃＨＬＭ基本相同，该系统每一层沉积厚度范围在０．５～１．５ｍｍ之间，铣削后在０．１～１ｍｍ之间。表１为ＳＬＳ、ＬＥＮＳ、３ＤＷＭ工艺对比参数。

２．５选择性激光熔覆复合加工技术（ＨＳＬＭ）
国立台湾科技大学的Ｊｅｎｇ－Ｙｗａｎ等人利用选择性激光熔覆和铣削复合加工技术开展了金属零件直接快速成型、修复和改性相关方面的研究。该系统的设计结构如图１２所示，由ＲＳ８２０１．５ＫＷＣＯ２激光器、同轴送粉系统、四轴联动加工及控制系统、系统软件以及气体保护装置组成。由于工件距离激光头比较近，在沉积扫描过程中会产生大量的热，从而影 响粉末融态的流动性，不利于零件的成形质量，因此 该系统采用了一种新型水冷式喷头（如图１３所示） 。

该系统的软件功能和ＨＬＭ等软件一样，包括各种参数的设置、模型离散化、切片分层、扫描路径、铣削加工路径、生成代码以及工件移动和功能转换等等。其基本过程与ＨＬＭ、ＣＭＢ技术一样，不同的是为了提高效率，该系统在沉积两层或者三层，达到设置厚度后，再进行平面铣削。在成型过程中金属粉末成熔融状态，由于表面张力的作用，熔覆横截面形状成圆弧形，而且由于粉末流流速太快或者直径太大，出现未熔化粉末沉积现象。沉积下一层时，熔态粉末会沿着上一层的表面流动，并熔化先前沉积的未熔化粉末，导致沉积高度增加不多，表面弧度变的更大。沉积第三层时，这种情况更加明显，最终导致熔覆层高度不再增加。该系统采取沉积两层或三层后进行平面铣削，很好的解决了这个问题，而且保证了成型效率和质量。由于采用同轴送粉激光熔覆工艺，该系统成型件精度比较高。

２．６超声波增材制造（ＵＡＭ）
超声波增材制造（Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃａｄｄｉｔｉｖｅｍａｎｕｆａｃｔｕｒ－ｉｎｇＵＡＭ）技术是超声波焊接和数控加工结合的一种固态复合加工技术，材料为金属箔片。其基本原理是利用超声波的振动能量使两个需焊接的表面摩擦，形成分子间融合的一种固态焊接。在叠加完一层或几层后，利用ＣＮＣ技术去除多余材料，获得理想的几何尺寸和精度；然后进行另一层的叠加，如此循环直至获得完整零件，如图１４所示。ＵＡＭ技术优势：无飞溅和氧化等现象；成型材料广泛，包括铜、银、铝、镍 等有色金属；可以形成不同材料的结合，形成梯度功 能；可以集成功能性组件和特殊结构。图１５为嵌入光纤的ＵＡＭ成型件。

Ｓｔｕｃｋｅｒ等人创新性的采用一种基于晶体塑性 有限元模型（ＤＤＣＰ－ＦＥＭ）框架的位错密度技术研究了ＵＡＭ成型中Ａｌ３００３□Ｈ－１８亚晶粒的形成机理，并给出了准确预测。Ｊａｍｅｓ等人进行了ＵＡＭ成型中粘滑运动动力学分析研究。现在ＵＡＭ技术已经进入了商业化阶段，德国的Ｆａｂｒｉｓｏｎｉｃ公司于2013年12月推出了两组新的超声波３Ｄ打印机，ＵＡＭＳｏｎｉｃｌａｙｅｒ ４０００和７２００。

２．７其他研究情况
武汉理工大学熊新鸿团队融合材料添加和去除方法研究了ＨＰＤＭ技术，该技术和ＣＭＢ技术原理基本相同，不同的是该系统增材制造部分采用的是基于粉末的微束等离子快速成形技术，相比于ＡｒｃＨＬＭ，ＨＰＤＭ技术，其采用等离子成形技术，热输入量高、光斑半径更小、能量集中，因而沉积速度更快。离子束质量十分稳定，因而自动化程度更高，而且噪声小，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等采用激光和电子束成形的技术，ＨＰＤＭ技术成本低，扫描路径容易控制，但光斑较大，成型精度较低，成形结构不精细。 ＭｏｈａｍｍａｄＰｅｒｖｅｚＭｕｇｈａｌ等人研究了基于堆焊的复合成型技术中，铣削对材料性能的影响。他们利用基于堆焊的复合成型技术制备了两种试样，一种试样在成型过程中每沉积扫描一层后，进行平面铣削；另一种试样则没有铣削过程。

通过对比两种试样的微观组织结构、硬度分布检测以及拉伸试验情况，分析铣削过程对成型材料性能的影响和作用，并得出结论：铣削加工对成型零件的微观组织形态及分布和硬度分布有较大影响，而对屈服强度基本没有影响。 韩国首尔大学ＺｈｕＨｕ和ＫｕｎｗｏｏＬｅｅ等人对增减材复合制造的软件系统进行了大量的研究。他们首先提出了一种新的确定加工方向的算法，该算法综合考虑制造过程中的沉积特征和铣削特征，并进 行优化来确定加工方向。在确定加工方向后，又研究了一种基于凹边识别的分层算法，该方法综合考虑了刀具的可加工性、最大分层厚度、最小分层数量等因素，实验证明该方法分层数量更少，具有广阔的应用前景。

日本松浦机械制作所推出商业化ＬＵＭＥＸＡ－ｖａｎｃｅ－２５复合光造型机，具体是用激光烧结和铣削工艺结合的方式（ＳＬＭ烧结＋铣削），实现高精度的成型效果。他们主要利用金属光造型复合加工进行零件快速成型，实现激光烧结、切削加工、深加强筋加工、多孔造型以及三维冷却水路，具有３Ｄ网状、缩短时间、降低成本、３Ｄ自由曲面及一体化结构等优势。复合光造型机能反复进行金属光造型和采用立铣刀的高速、高精度切削加工，实现了与加工中心相当的尺寸精度和表面粗糙度。

３基于增减材的复合加工技术发展方向
由于融合了增材制造和减材制造技术优势， 基于增减材的复合加工技术能快速制备出不同材料的高精度、高质量的复杂形状零件，缩短制造周期，节省材料，降低成本，增强产品竞争优势，特别有利于复杂形状、多品种、小批量零件的生产，具有广阔的应用前景。 但由于基于增减材的复合加工技术研究刚刚起步，并牵涉到较为宽广的技术学科，只有在相关学科技术得到全面的研究后才能对该技术形成支撑，具体来说以下几个方面是将来需要继续努力的方向。

（１）软件系统的研发。目前，所有的复合加工系统软件，都是在快速成型技术软件的基础上所进行的改进和集成，其基本过程和快速成型软件基本相同，但这并不能够完全发挥出复合加工技术的优势。未来软件的开发，应该基于复合加工技术的特点本身，从模型设计、离散化分层处理、路径生成及控制直到加工完成整个过程进行系统性融合。
（２）控制系统的研发。由于在零件成形过程中，要在沉积和机加工功能中不断转化，其加工坐标系也在不断的变化，因此对于刀具和沉积的准确定位和控制尤为重要。而现在几乎所有的基于增减材的复合加工系统，几乎没有反馈控制，因此如何实现对加工过程的实时检测和反馈，形成闭环控制，需要进一步研究。
（３）成型尺寸的扩展。上述介绍的基于增减材的复合加工技术主要应用于模具、功能结构件、嵌入式结构件等结构尺寸较小的成型件中，尚不能成型大型结构件。
（４）工艺集成性。由于成型的零件具有不同的特征性质，因此所采用的沉积工艺和材料也就不同。如何将多种沉积工艺设备集成在一起，并保证运行的协调性和高效率是需要研究的问题。

增材制造由于其独特技术优势引起了越来越多的关注，但也有很多缺点制约了其应用和发展，因此，同减材制造相结合的复合加工技术逐渐成为研
究的焦点。本文在阐述增减材复合加工原理的基础上，详细介绍了多种复合加工技术的原理和特点。通过总结现有复合加工技术的研究现状，指出未来的研究方向。

编辑：南极熊
作者：马立杰，樊红丽，卢继平，庞璐（北京理工大学机械与车辆学院）