增減材復(fù)合制造技術(shù)(HASM)是結(jié)合傳統(tǒng)數(shù)控技術(shù)(CNC)與增材制造技術(shù)(AM)發(fā)展起來(lái)的一種具有廣泛的應(yīng)用前景的技術(shù)，在構(gòu)建具有幾何和材料復(fù)雜性的零件領(lǐng)域發(fā)揮著特別顯著的作用，一方面規(guī)避了AM技術(shù)因精度和表面質(zhì)量不理想需要離散化處理以及熱處理等過(guò)程導(dǎo)致尺寸偏差、臺(tái)階效應(yīng)等不良影響;另一方面能夠充分發(fā)揮CNC技術(shù)高精度和高表面質(zhì)量的優(yōu)勢(shì)。因此，探究HASM技術(shù)是當(dāng)下國(guó)內(nèi)外研究者關(guān)注的熱點(diǎn)之一。

　　一、增減材復(fù)合制造(HASM)技術(shù)的原理及優(yōu)勢(shì)

　　HASM技術(shù)本質(zhì)上是對(duì)材料添加和去除的一種新型復(fù)合制造技術(shù)，面向產(chǎn)品設(shè)計(jì)、軟件開(kāi)發(fā)、加工控制。換言之，其在結(jié)合AM技術(shù)和CNC技術(shù)優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)對(duì)這兩種技術(shù)的發(fā)展與再創(chuàng)新。20世紀(jì)末期，美國(guó)出現(xiàn)了一種制造新技術(shù)AM，又稱三維打印或快速成型。它以數(shù)字化模型為根基，利用可粘合的材料，如粉體金屬和塑料等，將物體的三維模型切割為多層薄片，再通過(guò)數(shù)字化手段逐層加工，從而實(shí)現(xiàn)二維到三維的堆疊成型。其非常適合用來(lái)制作幾何形狀復(fù)雜的零件。但這一技術(shù)總會(huì)在離散化處理時(shí)的數(shù)據(jù)格式和分層方法以及熱處理等因素導(dǎo)致其精度和表面質(zhì)量與先前預(yù)設(shè)有所誤差。而傳統(tǒng)CNC技術(shù)精度高、質(zhì)量好，可有效彌補(bǔ)AM技術(shù)的缺憾。圖1HASM技術(shù)消除臺(tái)階效應(yīng)示意圖Fig.1SchematicdiagramofHASMtechnologytoeliminatestepeffect將兩種技術(shù)結(jié)合并各取所長(zhǎng)的HASM技術(shù)，運(yùn)行步驟分以下三步：一是建立三維CAD模型，用于生產(chǎn)零件;二是將模型按照設(shè)定好的厚度導(dǎo)入數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行分層切片，以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的降維處理：三維實(shí)體信息轉(zhuǎn)為二維輪廓信息;三將降維后的機(jī)加工參數(shù)和沉積參數(shù)融入掃描路徑代碼，隨后，參數(shù)加工系統(tǒng)會(huì)逐層地完成材料堆積及對(duì)材料輪廓或表面的加工控制工作，即軟件控制的逐層堆積和數(shù)控加工過(guò)程，最終形成三維實(shí)體。概括而言，HASM的原理主要是“離散—堆積—控制”。如圖1所示，HASM技術(shù)能夠消除臺(tái)階效應(yīng)的直接原因是引入了CNC技術(shù)，進(jìn)一步提高精度，所以在AM加工階段通過(guò)增大噴頭直徑或者分層厚度可以有效提高低分辨率的堆積，進(jìn)一步提升加工工作效率，一定程度上降低生產(chǎn)成本。基于CNC技術(shù)和AM技術(shù)的HASM技術(shù)特點(diǎn)如圖2所示，具有以下的優(yōu)勢(shì)：第一，AM技術(shù)可以直接打印所需形狀，減少了CNC技術(shù)過(guò)程中需要耗費(fèi)的成本和工具磨損;第二，通過(guò)HASM工藝不僅可以加工一些單一制造技術(shù)生產(chǎn)不了的具有特殊內(nèi)部結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品;第三，AM技術(shù)和CNC技術(shù)的有效結(jié)合可以提高生產(chǎn)產(chǎn)品的表面質(zhì)量，進(jìn)而也可以提升生產(chǎn)產(chǎn)品的精度和準(zhǔn)度。圖2HASM技術(shù)的特點(diǎn)Fig.2FeaturesofHASMtechnology

　　二、增減材復(fù)合制造(HASM)技術(shù)的研究現(xiàn)狀

　　國(guó)內(nèi)外目前關(guān)于增減材復(fù)合制造技術(shù)的相關(guān)研究有一定的突出成果，綜述如下：

　　(一)美國(guó)

　　20世紀(jì)90年代中期，美國(guó)斯坦福大學(xué)Fessler等學(xué)者提出了形狀沉積制造(ShapeDepositionManufacturing,SDM)技術(shù)，這一技術(shù)已經(jīng)將AM和CNC技術(shù)相結(jié)合。SDM技術(shù)可將鈦合金、銅合金、和不銹鋼等材料復(fù)合加工，并且成型精度極高。這一技術(shù)以CNC技術(shù)為主，先利用CNC技術(shù)將每一層的堆積材料逐步加工到零件外形，再進(jìn)行下一層的成型，如此返復(fù)，等全部成型完畢后再去除原本的支撐材料美國(guó)卡內(nèi)基梅隆大學(xué)Merz等學(xué)者將蠟按照模型的幾何尺寸進(jìn)行加工處理，并將其作為一種支撐材料，引入SDM。在此基礎(chǔ)上，對(duì)下一層的成型材料的進(jìn)行加工，但是該過(guò)程中所成型的產(chǎn)品表面粗糙，需要主軸刀具進(jìn)一步的修整加工;上述過(guò)程全部結(jié)束后方可去支撐材料。

　　(二)德國(guó)

　　2001年，與美國(guó)相差不到十年，德國(guó)弗朗和夫生產(chǎn)技術(shù)研究所Freyer等學(xué)者為消除臺(tái)階效應(yīng)，以實(shí)現(xiàn)材料沉積與機(jī)加工在同一個(gè)過(guò)程，就提出了控制金屬堆積(ControlledMetalBuild-up,CMB)技術(shù)。CMB的主要原理是“沉積—銑削—沉積”。第一步，AM過(guò)程以可焊接金屬作為成型材料，采用同軸送絲激光熔覆法，為防止每一層沉積的過(guò)程的氧化都采用氣體保護(hù)的方法，對(duì)已經(jīng)沉積的零件用刀具進(jìn)行平面和仿形銑削，雖然會(huì)存有內(nèi)部缺陷，但依舊會(huì)使其成型精度保持在較高水準(zhǔn)。CMB系統(tǒng)在制造模具方面很有成就，該技術(shù)能夠制造致密度高達(dá)100%的不銹鋼零件，而且其制造的零件成型尺寸可達(dá)600mm×600mm×600mm，精度達(dá)0.02mm，亦Fig.4SchematicdiagramofCMBtechnologyproヽessingprocess基于上述激光熔覆法，德國(guó)DMGMoriSeiki公司采用五軸CNC技術(shù)推出了LASERTEC653D復(fù)合加工機(jī)床，此機(jī)床可以實(shí)現(xiàn)鈦合金、鋁合金、鎳基合金及不銹鋼等不同材料的復(fù)合加工。德國(guó)HamuelReichenbacher公司為將高速銑削、能量熔融和檢測(cè)、拋光等輔助工藝相結(jié)合，推出了HYBRIDHSTM1500機(jī)床，以實(shí)現(xiàn)高價(jià)值部件修復(fù)。以上這些已經(jīng)算是市面上較為成熟的增減材復(fù)合制造裝備。

　　(三)英國(guó)

　　英國(guó)巴斯大學(xué)的研究人員對(duì)HASM技術(shù)也有深刻的認(rèn)知，他們通過(guò)現(xiàn)有的技術(shù)成果預(yù)想其未來(lái)發(fā)展前景，該技術(shù)可以有效解決AM過(guò)程中出現(xiàn)的各種問(wèn)題，例如：幾何和尺寸精度不高等，也可以使內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件擺脫傳統(tǒng)工藝加工的限制。

　　(四)日本

　　日本Mazak公司以五軸多功能加工中心為平臺(tái)集成了兩個(gè)激光熔融頭，推出了INTEGREXi-400AM多功能機(jī)床，此機(jī)床不僅可以進(jìn)行高速熔融，還可以實(shí)現(xiàn)高精度熔融，當(dāng)然也可以對(duì)增材制造的部件進(jìn)行車統(tǒng)與激光標(biāo)刻。除此之外，Sodick公司生產(chǎn)的OPM250L機(jī)床有效優(yōu)化CNC技術(shù)，使得其顯著提高表面質(zhì)量并實(shí)現(xiàn)深槽的制造，而且，此機(jī)床可以通過(guò)調(diào)整工藝參數(shù)來(lái)優(yōu)化零件的致密度。

　　(五)印度

　　印度理工學(xué)院Akula和Karunakaran等學(xué)者利用三軸機(jī)床促進(jìn)了氣體保護(hù)焊技術(shù)和CNC技術(shù)有效結(jié)合，使該機(jī)床生產(chǎn)的零件表面質(zhì)量大幅提升。

　　(六)中國(guó)

　　國(guó)內(nèi)目前關(guān)于增減材復(fù)合制造的相關(guān)研究相較于國(guó)外較少。大連理工大學(xué)有關(guān)學(xué)者發(fā)現(xiàn)使用SodickOPM250設(shè)備，可大幅度降低馬氏體時(shí)效鋼制件表面的粗糙度。他們發(fā)現(xiàn)此設(shè)備可以將選擇性激光熔化和CNC工藝進(jìn)行整合。除大連理工大學(xué)的學(xué)者外，還有一些學(xué)者也通過(guò)結(jié)合選擇性激光熔覆法和CNC技術(shù)，并展開(kāi)了關(guān)于金屬零件直接快速成型、修復(fù)和改性等方面的研究。華中科技大學(xué)張海鷗與武漢科技大學(xué)熊新紅等學(xué)者提出了有效控制AM過(guò)程中臺(tái)階效應(yīng)的方法，即實(shí)現(xiàn)等離子沉積和CNC技術(shù)銜接，此法可將尺寸誤差控制在±0.05%以內(nèi)。北京理工大學(xué)的研究人員為去除AM零件表面的缺陷，以提高表面質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)了脈沖激光與CNC工藝復(fù)合。綜上所述，HASM技術(shù)的研究雖然剛剛起步，但還需要相關(guān)學(xué)者的深入地研究，將其挖深、挖透。尤其是整個(gè)技術(shù)加工過(guò)程中的路徑規(guī)劃、成型機(jī)理以及工藝轉(zhuǎn)換等問(wèn)題。隨著研究的深入，逐步克服AM技術(shù)的缺憾、提升CNC技術(shù)的精度和準(zhǔn)度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)HASM技術(shù)的高質(zhì)量、可持續(xù)發(fā)展。

　　三、增減材復(fù)合制造(HASM)技術(shù)的關(guān)鍵問(wèn)題

　　(一)底板支撐結(jié)構(gòu)有待改進(jìn)

　　在增減材復(fù)合制造的過(guò)程中，完備的零件與平臺(tái)穩(wěn)定性的構(gòu)建都離不開(kāi)合適、穩(wěn)固的底板支撐結(jié)構(gòu)，是因?yàn)槟承┝慵�不僅具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，還會(huì)對(duì)其成型材料有特殊要求。尤其是在增材制造與減材制造二者交替加工的過(guò)程中，更需要準(zhǔn)確無(wú)誤的零件定位，并且底板支撐結(jié)構(gòu)能夠承受刀具在接觸零件表面時(shí)所產(chǎn)生的切削力。因此，我們?cè)谠鰷p材復(fù)合制造的過(guò)程中，就要根據(jù)不同的材料需求、零件結(jié)構(gòu)和加工方式來(lái)實(shí)現(xiàn)底板支撐結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)優(yōu)化。

　　(二)增材與減材復(fù)合加工工序有待優(yōu)化

　　在增減材復(fù)合制造過(guò)程中，不論是支撐結(jié)構(gòu)還是加工前的預(yù)先模擬，都需要結(jié)合多方面綜合考慮，包括支撐結(jié)構(gòu)是否能與增材制造和減材加工等工序相匹配、結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度如何、減材加工刀具的路徑多少合適、激光熔覆噴嘴的軌跡如何、制造可行性的大小以及機(jī)床運(yùn)動(dòng)的平臺(tái)自由度等等，并做出最優(yōu)的選擇，從而實(shí)現(xiàn)增材與減材復(fù)合加工工序的進(jìn)一步優(yōu)化。

　　(三)實(shí)時(shí)在線檢測(cè)反饋等技術(shù)手段有待更新

　　實(shí)時(shí)在線檢測(cè)反饋對(duì)增材與減材復(fù)合加工系統(tǒng)的影響不容忽視。在增減材復(fù)合制造過(guò)程中，若能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)此過(guò)程，將過(guò)程中可能呈現(xiàn)的各種狀況、問(wèn)題等及時(shí)反饋給計(jì)算機(jī)的控制系統(tǒng)，那計(jì)算機(jī)中控系統(tǒng)也會(huì)做出及時(shí)的調(diào)整與優(yōu)化。因此，在此過(guò)程中制造的零件質(zhì)量更高，所造成的缺陷更少。因此，發(fā)展多種測(cè)量傳感技術(shù)以及計(jì)算機(jī)輔助在線檢測(cè)技術(shù)很有必要。為此，有效使用工業(yè)機(jī)器人可以提高工作效率，降低成產(chǎn)成本。工業(yè)機(jī)器人涉及機(jī)械、控制、計(jì)算機(jī)等多門(mén)學(xué)科，可以將多種先進(jìn)技術(shù)結(jié)合。

　　(四)閉環(huán)智能化的軟件系統(tǒng)有待完善

　　增減材復(fù)合制造的軟件系統(tǒng)愈完備愈會(huì)將各種參數(shù)實(shí)時(shí)反饋給計(jì)算機(jī)，包括加工過(guò)程中的工藝參數(shù)，計(jì)算機(jī)將原本不完善的參數(shù)加以優(yōu)化從而指導(dǎo)后序的加工過(guò)程。計(jì)算機(jī)可以利用相應(yīng)的編程語(yǔ)言，發(fā)布簡(jiǎn)單語(yǔ)令，實(shí)現(xiàn)信息交互，通過(guò)不同的組合來(lái)控制相應(yīng)程序的運(yùn)行。不同的指令可以配合完成多項(xiàng)工作，而且還會(huì)對(duì)相應(yīng)的反應(yīng)進(jìn)行記錄，如加工過(guò)程、成型結(jié)構(gòu)等。這個(gè)過(guò)程是由計(jì)算機(jī)軟件智能控制的、一個(gè)循序漸進(jìn)的閉環(huán)過(guò)程，這種發(fā)展態(tài)勢(shì)將是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。總而言之，HASM技術(shù)雖然在CNC技術(shù)和AM技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)揮了優(yōu)勢(shì)，能夠提升不同材料的復(fù)雜形狀加工效率，確保較高的精度和表面質(zhì)量，利于生產(chǎn)。但是，該技術(shù)研究仍在發(fā)展初期階段，尚未純熟，研究者們?nèi)匀恍枰�重點(diǎn)關(guān)注以上關(guān)鍵問(wèn)題，拓展HASM技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，更好的服務(wù)于社會(huì)生產(chǎn)。

　　參考文獻(xiàn):

　　[1]高孟秋,趙宇輝,趙吉賓,等.增減材復(fù)合制造技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展[J].真空,2019,290(6):76-82.

　　《增減材復(fù)合制造技術(shù)的研究現(xiàn)狀與關(guān)鍵問(wèn)題》來(lái)源：《冶金管理》，作者：李永超