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程導(dǎo)致尺寸偏差、臺階效應(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。因此，探究HASM技術(shù)是當(dāng)下國內(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

　　HASM技術(shù)本質(zhì)上是對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、軟件開發(fā)、加工控制。換言之，其在結(jié)合AM技術(shù)和CNC技術(shù)優(yōu)勢的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)對這兩種技術(shù)的發(fā)展與再創(chuàng)新。20世紀(jì)末期，美國出現(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。其非常適合用來制作幾何形狀復(fù)雜的零件。但這一技術(shù)總會在離散化處理時的數(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)消除臺階效應(yīng)示意圖Fig.1SchematicdiagramofHASMtechnologytoeliminatestepeffect將兩種技術(shù)結(jié)合并各取所長的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)會逐層地完成材料堆積及對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�；�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：第一，AM技術(shù)可以直接打印所需形狀，減少了CNC技術(shù)過程中需要耗費(fèi)的成本和工具磨損;第二，通過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

　　20世紀(jì)90年代中期，美國斯坦福大學(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，對下一層的成型材料的進(jìn)行加工，但是該過程中所成型的產(chǎn)品表面粗糙，需要主軸刀具進(jìn)一步的修整加工;上述過程全部結(jié)束后方可去支撐材料。

　　(二)德國

　　2001年，與美國相差不到十年，德國弗朗和夫生產(chǎn)技術(shù)研究所Freyer等學(xué)者為消除臺階效應(yīng)，以實(shí)現(xiàn)材料沉積與機(jī)加工在同一個過程，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程的氧化都采用氣體保護(hù)的方法，對已經(jīng)沉積的零件用刀具進(jìn)行平面和仿形銑削，雖然會存有內(nèi)部缺陷，但依舊會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HamuelReichenbacher公司為將高速銑削、能量熔融和檢測、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

　　英國巴斯大學(xué)的研究人員對HASM技術(shù)也有深刻的認(rèn)知，他們通過現(xiàn)有的技術(shù)成果預(yù)想其未來發(fā)展前景，該技術(shù)可以有效解決AM過程中出現(xiàn)的各種問題，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集成了兩個激光熔融頭，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)床可以通過調(diào)整工藝參數(shù)來優(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

　　國內(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)者也通過結(jié)合選擇性激光熔覆法和CNC技術(shù)，并展開了關(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過程中臺階效應(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。尤其是整個技術(shù)加工過程中的路徑規(guī)劃、成型機(jī)理以及工藝轉(zhuǎn)換等問題。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)合制造的過程中，完備的零件與平臺穩(wěn)定性的構(gòu)建都離不開合適、穩(wěn)固的底板支撐結(jié)構(gòu)，是因為某些零件不僅具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，還會對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程中，更需要準(zhǔn)確無誤的零件定位，并且底板支撐結(jié)構(gòu)能夠承受刀具在接觸零件表面時所產(chǎn)生的切削力。因此，我們在增減材復(fù)合制造的過程中，就要根據(jù)不同的材料需求、零件結(jié)構(gòu)和加工方式來實(shí)現(xiàn)底板支撐結(jié)構(gòu)的實(shí)時優(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)動的平臺自由度等等，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)時在線檢測反饋等技術(shù)手段有待更新

　　實(shí)時在線檢測反饋對增材與減材復(fù)合加工系統(tǒng)的影響不容忽視。在增減材復(fù)合制造過程中，若能夠?qū)崟r監(jiān)測此過程，將過程中可能呈現(xiàn)的各種狀況、問題等及時反饋給計算機(jī)的控制系統(tǒng)，那計算機(jī)中控系統(tǒng)也會做出及時的調(diào)整與優(yōu)化。因此，在此過程中制造的零件質(zhì)量更高，所造成的缺陷更少。因此，發(fā)展多種測量傳感技術(shù)以及計算機(jī)輔助在線檢測技術(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、計算機(jī)等多門學(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)愈完備愈會將各種參數(shù)實(shí)時反饋給計算機(jī)，包括加工過程中的工藝參數(shù)，計算機(jī)將原本不完善的參數(shù)加以優(yōu)化從而指導(dǎo)后序的加工過程。計算機(jī)可以利用相應(yīng)的編程語言，發(fā)布簡單語令，實(shí)現(xiàn)信息交互，通過不同的組合來控制相應(yīng)程序的運(yùn)行。不同的指令可以配合完成多項工作，而且還會對相應(yīng)的反應(yīng)進(jìn)行記錄，如加工過程、成型結(jié)構(gòu)等。這個過程是由計算機(jī)軟件智能控制的、一個循序漸進(jìn)的閉環(huán)過程，這種發(fā)展態(tài)勢將是未來的發(fā)展趨勢�？偠�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，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)鍵問題，拓展HASM技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，更好的服務(wù)于社會生產(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)鍵問題》來源：《冶金管理》，作者：李永超