工程科学学报 Chinese Journal of Engineering 增减材混合制造的研究进展 果春焕王泽昌严家印袁丁姜风春王建东牛中毅 Research progress in additive-subtractive hybrid manufacturing GUO Chun-huan,WANG Ze-chang,YAN Jia-yin,YUAN Ding.JIANG Feng-chun,WANG Jian-dong.NIU Zhong-yi 引用本文： 果春焕，王泽昌，严家印，袁丁，姜风春，王建东，牛中毅.增减材混合制造的研究进展.工程科学学报，2020,42(5)：540- 548.doi10.13374j.issn2095-9389.2019.06.18.006 GUO Chun-huan,WANG Ze-chang,YAN Jia-yin,YUAN Ding,JIANG Feng-chun,WANG Jian-dong,NIU Zhong-yi.Research progress in additivesubtractive hybrid manufacturing[J].Chinese Journal of Engineering,2020,42(5):540-548.doi: 10.13374-issn2095-9389.2019.06.18.006 在线阅读View online:https::/doi.org10.13374.issn2095-9389.2019.06.18.006 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 金属增材制造技术的关键因素及发展方向 Key factors and developmental directions with regard to metal additive manufacturing 工程科学学报.2019,41(2：159 https:1doi.org/10.13374j.issn2095-9389.2019.02.002 钢铁智能制造背景下物质流和能量流协同方法 Synergetic method between materials flow and energy flow in iron and steel intelligent manufacturing 工程科学学报.2017,391)：115 https::/1doi.org/10.13374斩.issn2095-9389.2017.01.015 卤化物钙钛矿量子点0D-2D混合维度异质结构光探测器的研究进展及挑战 Halide perovskite quantum dot based OD-2D mixed-dimensional heterostructure photodetectors:progress and challenges 工程科学学报.2019,41(3)：279 https:1doi.org/10.13374j.issn2095-9389.2019.03.001 炼钢连铸生产调度的研究进展 Progress of research on steelmakingcontinuous casting production scheduling 工程科学学报.2020,42(2：144 https:/1doi.org10.13374j.issn2095-9389.2019.04.30.002 钨冶炼渣综合回收利用的研究进展 Progress of research related to the comprehensive recovery and utilization of tungsten smelting slag 工程科学学报.2018,40(12：1468 https:doi.org10.13374.issn2095-9389.2018.12.004
增减材混合制造的研究进展 果春焕 王泽昌 严家印 袁丁 姜风春 王建东 牛中毅 Research progress in additive–subtractive hybrid manufacturing GUO Chun-huan, WANG Ze-chang, YAN Jia-yin, YUAN Ding, JIANG Feng-chun, WANG Jian-dong, NIU Zhong-yi 引用本文: 果春焕, 王泽昌, 严家印, 袁丁, 姜风春, 王建东, 牛中毅. 增减材混合制造的研究进展[J]. 工程科学学报, 2020, 42(5): 540- 548. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.06.18.006 GUO Chun-huan, WANG Ze-chang, YAN Jia-yin, YUAN Ding, JIANG Feng-chun, WANG Jian-dong, NIU Zhong-yi. Research progress in additivesubtractive hybrid manufacturing[J]. Chinese Journal of Engineering, 2020, 42(5): 540-548. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.06.18.006 在线阅读 View online: https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.06.18.006 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 金属增材制造技术的关键因素及发展方向 Key factors and developmental directions with regard to metal additive manufacturing 工程科学学报. 2019, 41(2): 159 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.02.002 钢铁智能制造背景下物质流和能量流协同方法 Synergetic method between materials flow and energy flow in iron and steel intelligent manufacturing 工程科学学报. 2017, 39(1): 115 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.01.015 卤化物钙钛矿量子点0D-2D混合维度异质结构光探测器的研究进展及挑战 Halide perovskite quantum dot based 0D-2D mixed-dimensional heterostructure photodetectors:progress and challenges 工程科学学报. 2019, 41(3): 279 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.03.001 炼钢连铸生产调度的研究进展 Progress of research on steelmakingcontinuous casting production scheduling 工程科学学报. 2020, 42(2): 144 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.04.30.002 钨冶炼渣综合回收利用的研究进展 Progress of research related to the comprehensive recovery and utilization of tungsten smelting slag 工程科学学报. 2018, 40(12): 1468 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.12.004
工程科学学报.第42卷.第5期：540-548.2020年5月 Chinese Journal of Engineering,Vol.42,No.5:540-548,May 2020 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.06.18.006;http://cje.ustb.edu.cn 增减材混合制造的研究进展 果春焕，王泽昌，严家印，袁丁，姜风春四，王建东，牛中毅 哈尔滨工程大学材料科学与化学工程学院，哈尔滨150001 ☒通信作者，E-mail:fengchunjiang@hrbeu.edu.cn 摘要增材制造可以制造通过传统方法难以制造的复杂部件，因此在航空工业等领域中得到了大规模的应用.然而，增材 制造成形部件的尺寸和几何精度以及表面质量低于传统方法成形的部件，阻碍了增材制造的进一步应用.增减材混合制造 将增材制造与传统的加工手段结合，对增材制造成形的部件进行高精度数控加工，以改善部件表面光洁度以及零件的几何和 尺寸精度.本文阐述了增减材混合制造的技术原理和研究进展，并指出了未来的发展方向. 关键词增材制造：数控加工；增减材混合制造；工艺规划：表面质量 分类号TG65 Research progress in additive-subtractive hybrid manufacturing GUO Chun-huan,WANG Ze-chang,YAN Jia-yin,YUAN Ding,JIANG Feng-chun,WANG Jian-dong,NIU Zhong-yi College of Material Science and Chemical Engineering,Harbin Engineering University,Harbin 150001,China Corresponding author,E-mail:fengchunjiang@hrbeu.edu.cn ABSTRACT Compared with the traditional subtractive and equal manufacturing (SM/EM)computer numerical control (CNC) machining,press working,and casting,additive manufacturing(AM)technology has great advantages in the construction of high- complexity parts.Moreover,its material usage rate is high and the production cycle is short.Therefore,AM is the focus of civil aviation and defense industries,which need high-hardness metal materials and precision machining.However,the thermal history of the AM process affects the geometry of the weld pool,causing the workpiece to fail to meet tolerance requirements.Additionally,large temperature gradients and cooling rate inhomogeneity can also lead to excessive residual stress in the formed parts,which may cause deformation or even fracture of the parts.Factors such as poor dimensional and geometric precision,lower surface quality than that in conventionally formed parts,and poor uniformity of material properties hinder further application of AM.To solve the above problems, the concept of additive and subtractive hybrid manufacturing(ASHM)was developed.Additive and subtractive hybrid manufacturing combines AM with traditional machining and material reduction technology on a single work platform.It involves alternating additive and material reduction operations to improve the surface quality and the geometric and dimensional accuracy of the parts and alleviate residual stress in the parts.According to the different characteristics of an energy source for AM,this paper expounded the technical principle and research progress of ASHM based on arc,laser,and other energy sources and introduced the research progress of the ASHM process.The advantages and disadvantages of the application of this technology in the industrial field were analyzed,and the future development direction of the technology was presented.The ASHM process is expected to become more intelligent,integrated, and standardized in the future. KEY WORDS additive manufacturing;CNC machining:additive/subtractive hybrid manufacturing;process planning;surface quality 收稿日期：2019-06-18 基金项目：国家重点研发计划资助项目(2017YFB1103701)
增减材混合制造的研究进展 果春焕，王泽昌，严家印，袁 丁，姜风春苣，王建东，牛中毅 哈尔滨工程大学材料科学与化学工程学院，哈尔滨 150001 苣通信作者，E-mail：fengchunjiang@hrbeu.edu.cn 摘 要 增材制造可以制造通过传统方法难以制造的复杂部件，因此在航空工业等领域中得到了大规模的应用. 然而，增材 制造成形部件的尺寸和几何精度以及表面质量低于传统方法成形的部件，阻碍了增材制造的进一步应用. 增减材混合制造 将增材制造与传统的加工手段结合，对增材制造成形的部件进行高精度数控加工，以改善部件表面光洁度以及零件的几何和 尺寸精度. 本文阐述了增减材混合制造的技术原理和研究进展，并指出了未来的发展方向. 关键词 增材制造；数控加工；增减材混合制造；工艺规划；表面质量 分类号 TG65 Research progress in additive–subtractive hybrid manufacturing GUO Chun-huan，WANG Ze-chang，YAN Jia-yin，YUAN Ding，JIANG Feng-chun苣 ，WANG Jian-dong，NIU Zhong-yi College of Material Science and Chemical Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China 苣 Corresponding author, E-mail: fengchunjiang@hrbeu.edu.cn ABSTRACT Compared with the traditional subtractive and equal manufacturing (SM/EM) computer numerical control (CNC) machining, press working, and casting, additive manufacturing (AM) technology has great advantages in the construction of highcomplexity parts. Moreover, its material usage rate is high and the production cycle is short. Therefore, AM is the focus of civil aviation and defense industries, which need high-hardness metal materials and precision machining. However, the thermal history of the AM process affects the geometry of the weld pool, causing the workpiece to fail to meet tolerance requirements. Additionally, large temperature gradients and cooling rate inhomogeneity can also lead to excessive residual stress in the formed parts, which may cause deformation or even fracture of the parts. Factors such as poor dimensional and geometric precision, lower surface quality than that in conventionally formed parts, and poor uniformity of material properties hinder further application of AM. To solve the above problems, the concept of additive and subtractive hybrid manufacturing (ASHM) was developed. Additive and subtractive hybrid manufacturing combines AM with traditional machining and material reduction technology on a single work platform. It involves alternating additive and material reduction operations to improve the surface quality and the geometric and dimensional accuracy of the parts and alleviate residual stress in the parts. According to the different characteristics of an energy source for AM, this paper expounded the technical principle and research progress of ASHM based on arc, laser, and other energy sources and introduced the research progress of the ASHM process. The advantages and disadvantages of the application of this technology in the industrial field were analyzed, and the future development direction of the technology was presented. The ASHM process is expected to become more intelligent, integrated, and standardized in the future. KEY WORDS additive manufacturing；CNC machining；additive/subtractive hybrid manufacturing；process planning；surface quality 收稿日期: 2019−06−18 基金项目: 国家重点研发计划资助项目（2017YFB1103701） 工程科学学报，第 42 卷，第 5 期：540−548，2020 年 5 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 42, No. 5: 540−548, May 2020 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.06.18.006; http://cje.ustb.edu.cn
果春焕等：增减材混合制造的研究进展 541 增材制造(AM)又被称为3D打印，是指直接 产业有种类丰富、价格较低的商用机床，大量经验 使用叠层堆积方式由计算机辅助设计(CAD)模型 丰富的操作工人，统一的行业标准，这些都是增材 构建三维部件的制造工艺.在过去30年中，增材 制造难以企及的优势.欧洲增材领域代表性企业 制造已经适用于多种材料、尺寸的零部件制造，在 SLM Solutions全球市场营销副总裁Stefan Ritt认 多领域得到了广泛的应用.如今通用电气(GE)、 为，3D打印与传统加工方式的关系是互补而不是 空客(Airbus)这样的工业巨头已经将3D打印技术 替代，传统加工与3D打印将会并存.3D打印将成 推向产业化.主流的增材制造方法包括选择性激 为整个加工链的一环四 光熔化(SLM),选择性激光烧结(SLS),熔融沉积 增减材混合制造主要有以下优势：1)相对增 建模(FDM),激光工程净成形(LENS),电弧增材 材减材工艺部件有更高精度、表面质量：2)材料 制造(WAAM)和电子束熔化(EBM)等.相对于传 利用率最高可达97%；3)加工过程中工件无需移 统的数控加工，压力加工与铸造等制造工艺，增材 动，降低了移动带来的定位误差和碰撞事故：4)单 制造在复杂度较高的零件构建上有着巨大的优 一机床代替了复杂的工艺链，节省车间空间的同 势；同时，其材料利用率高、成形周期较短，因此增 时更加节能环保：5)能加工增材制造难以成形的 材制造受到经常使用高硬度金属材料并需要进行 内部精细结构和垂悬结构：6)总投资较低，混合机 精密加工的民航工业以及国防工业的重点关注. 床的价格低于整条工艺链所需的设备，且增减材 工业界一度认为这种颠覆性的制造技术会挑战传 工艺在混合机床中共享软硬件平台（引导系统，机 统制造工艺的地位 床结构，数字控制(CNC)系统，用户界面).因此， 然而，随着人们对增材技术的了解越发深入， 增减材制造受到了众多工业巨头的青睐.本文将 这种工艺的缺点也逐步浮现.增材技术利用高能 分别从基于电弧、激光以及其他能量源的增减材 能量源逐点逐层熔化和凝固材料，不可避免地会 制造技术的研究现状和增减材制造工艺规划的研 在相邻层之间存在台阶效应等负面影响，导致表 究进展来介绍增减材混合制造这门技术的最新发 面质量、尺寸精度较低.因此，增材制造的零件表 展现状 面精度达不到机加工的水平，而如航空航天领域 1增减材混合制造技术的国内外研究进展 的精密部件对尺寸公差的要求十分严苛，单纯依 赖增材制造构建的零件难以满足其精度要求.此 1.1增减材混合制造的技术原理 外，大规模生产情景下增材制造的生产效率低于 Chang等)首先提出增减材混合制造(Additive/ 传统工艺.AMT的制造技术副总裁Tim Shinbara subtractive hybrid manufacturing,.ASHM)这一概念， 认为，传统加工的效率是增材制造效率的3倍，这 即融合增减材制造各自的优势，通过增材制造一 是增材制造无法取代传统加工技术的重要原因山 层或多层后，利用铣削等减材制造方法将零件精 传统工艺经过长期的发展积累已经十分成熟，除 加工至设计尺寸和形状，增减材制造交替或同步 了在精度、效率、表面质量方面的优势，传统制造 进行（如图1所示），以提高成形件的表面质量和 (1)Start (2)Additive process (3)Milling (4)Additive process pindle Substrate Workbench (5)Milling (6)Additive process (7)Milling (8)Finish This cycle is repeated 图1增减材混合制造原理图9 Fig.I Schematic of the ASHM process
增材制造（AM）又被称为 3D 打印，是指直接 使用叠层堆积方式由计算机辅助设计（CAD）模型 构建三维部件的制造工艺. 在过去 30 年中，增材 制造已经适用于多种材料、尺寸的零部件制造，在 多领域得到了广泛的应用. 如今通用电气（GE）、 空客（Airbus）这样的工业巨头已经将 3D 打印技术 推向产业化. 主流的增材制造方法包括选择性激 光熔化（SLM），选择性激光烧结（SLS），熔融沉积 建模（FDM），激光工程净成形（LENS），电弧增材 制造（WAAM）和电子束熔化（EBM）等. 相对于传 统的数控加工，压力加工与铸造等制造工艺，增材 制造在复杂度较高的零件构建上有着巨大的优 势；同时，其材料利用率高、成形周期较短，因此增 材制造受到经常使用高硬度金属材料并需要进行 精密加工的民航工业以及国防工业的重点关注. 工业界一度认为这种颠覆性的制造技术会挑战传 统制造工艺的地位. 然而，随着人们对增材技术的了解越发深入， 这种工艺的缺点也逐步浮现. 增材技术利用高能 能量源逐点逐层熔化和凝固材料，不可避免地会 在相邻层之间存在台阶效应等负面影响，导致表 面质量、尺寸精度较低. 因此，增材制造的零件表 面精度达不到机加工的水平，而如航空航天领域 的精密部件对尺寸公差的要求十分严苛，单纯依 赖增材制造构建的零件难以满足其精度要求. 此 外，大规模生产情景下增材制造的生产效率低于 传统工艺. AMT 的制造技术副总裁 Tim Shinbara 认为，传统加工的效率是增材制造效率的 3 倍，这 是增材制造无法取代传统加工技术的重要原因[1] . 传统工艺经过长期的发展积累已经十分成熟，除 了在精度、效率、表面质量方面的优势，传统制造 产业有种类丰富、价格较低的商用机床，大量经验 丰富的操作工人，统一的行业标准，这些都是增材 制造难以企及的优势. 欧洲增材领域代表性企业 SLM Solutions 全球市场营销副总裁 Stefan Ritt 认 为，3D 打印与传统加工方式的关系是互补而不是 替代，传统加工与 3D 打印将会并存. 3D 打印将成 为整个加工链的一环[2] . 增减材混合制造主要有以下优势：1) 相对增 材/减材工艺部件有更高精度、表面质量；2）材料 利用率最高可达 97%；3）加工过程中工件无需移 动，降低了移动带来的定位误差和碰撞事故；4）单 一机床代替了复杂的工艺链，节省车间空间的同 时更加节能环保；5）能加工增材制造难以成形的 内部精细结构和垂悬结构；6）总投资较低，混合机 床的价格低于整条工艺链所需的设备，且增减材 工艺在混合机床中共享软硬件平台（引导系统，机 床结构，数字控制（CNC）系统，用户界面）. 因此， 增减材制造受到了众多工业巨头的青睐. 本文将 分别从基于电弧、激光以及其他能量源的增减材 制造技术的研究现状和增减材制造工艺规划的研 究进展来介绍增减材混合制造这门技术的最新发 展现状. 1 增减材混合制造技术的国内外研究进展 1.1 增减材混合制造的技术原理 Chang 等[3] 首先提出增减材混合制造（Additive/ subtractive hybrid manufacturing, ASHM）这一概念， 即融合增/减材制造各自的优势，通过增材制造一 层或多层后，利用铣削等减材制造方法将零件精 加工至设计尺寸和形状，增减材制造交替或同步 进行（如图 1 所示），以提高成形件的表面质量和 (1) Start (2) Additive process (3) Milling (4) Additive process z Laser Spindle x y Substrate Workbench (5) Milling (6) Additive process (7) Milling (8) Finish This cycle is repeated... 图 1 增减材混合制造原理图[4] Fig.1 Schematic of the ASHM process[4] 果春焕等： 增减材混合制造的研究进展 · 541 ·
542 工程科学学报，第42卷，第5期 成形效率.由于不同能量源在增材制造成形的过 光洁表面有利于良好的层间结合.为避免在制造 程中有不同的特点和适用范围，本文将按照增材 过程中升降增材喷嘴时发生碰撞，在混合机床配 制造所利用的各种能量源，逐类阐述电弧、激光以 备了气动制动器：焊接电源安装在机床的保护板 及其他能量源条件下增减材混合制造装备的研究 内.对于增减材混合加工中冷却这一难点问题，则 进展情况. 采用带有Z字形冷却管的多孔夹具来改善沉积与 1.2基于不同能量源的增减材混合制造研究进展 机加工过程中的散热（如图3）.ArcHLM工艺在制 1.2.1以电弧为能量源的混合制造 造金属刀具和模具时能节省大量的时间和成本， 电弧熔丝与铣削的结合是增减材混合制造最 更重要的是将增材制造和精加工整合到单一平台 常见的形式，即借助电弧产生的高温熔化丝材沉 上进行统一控制，可以说是增减材混合加工机床 积一层材料后，再对沉积层精密铣削得到平整的 开发最早的尝试之一 表面，如此往复制得高精度零部件 张海鸥等)发明了“智能微铸锻铣混合制造” 技术（如图2所示），即将电弧微铸增材成形与连 续微锻等材成形、铣削减材成形方法混合，在沉积 层半凝固微区对其进行同步连续微锻造来细化沉 积层晶粒，并采用数控铣削方式去除后续难加工 图3 ArcHLM工艺采用的带有冷却管的夹具W 和缺陷部分.此工艺具有流程短，能耗低，设备一 Fig.3 Universal fixture with coolant ducts used by ArcHLM 体化、小型化的优势，且成形零件的力学性能优于 同种材料的传统锻件，是一种新型绿色制造方法 Song等将两个GMAW焊枪集成在3轴机 Akula等和Karunakaran等)开发了一种搭载了 床的主轴旁，交替进行沉积和铣削操作，得到致密 CNC铣削和熔化极气体保护焊(GMAW)两种工艺 度在90%以上的零部件，铣削后的部件表面粗糙 的混合机床及基于PLC的机床控制系统.混合加 度(Ra)达2μum,拉伸强度与低碳钢丝相当.Song 工中沉积与铣削交替进行，一旦达到近净形状，就 等1©还使用该设备制造了多材料零件，即用两个 进行精铣削以完成零件.在测试了成形件性能后， 增材喷嘴分别沉积不同的材料，将低碳钢芯包裹 发现该方法制造的零件虽在机械性能上不如传统 在不锈钢外壳内，得到了强度高、韧性好的组合零 方式制造的零件，但几何精度在CNC铣削之后可 件，两种材料可以在电镜下观察到明显的界面. 达0.030mm.该团队也分析了沉积参数在增减材 目前基于电弧的增减材混合制造普遍采用 混合制造中的影响，发现了材料微观结构随沉积 3轴或5轴机床或机器人作为运动平台，搭载改装 参数的变化规律，以及结构零部件在增材过程由 的焊接设备沉积材料.为避免焊枪阻碍CNC加工 于升降温不均匀产生了变形 操作，一部分设备为焊枪增加了伸缩功能.这类工 艺通常只对沉积层顶面铣削，缺少对层间轮廓铣 Deposition direction Heat source 削的尝试，因此制造出的零部件结构相对简单，没 有悬垂和内部精细结构 Continuous Milling forging 1.2.2以激光为能量源的混合制造 在主要的增材制造工艺中，电弧增材制造的 Melting pool 零部件存在精度差与变形的缺陷，且使用电导率 低下的丝材时沉积效果差，这些局限性使研究人 Just-solidified zone Thermal 员将目光转向了激光 deformation zone Kerschbaumer和Ernst!报道了一种激光熔覆 图2智能微铸锻铣混合制造原理图 和CNC混合加工系统，将Nd:YAG激光熔覆头和 Fig.2 Principle of smart micro-casting,forging,and millingls 送粉系统集成到商用Roders5轴数控机床中，5轴 Karunakaran等)和Sreenathbabu等s提出一 机床允许在多个构建方向上沉积材料，避免熔融 种基于电弧熔丝的电弧混合叠层制造工艺 材料沿倾斜表面流动，同时显著降低对支撑结构 ArcHybrid-layered manufacturing,ArcHLM), 的要求；5轴机床的灵活性还使得减材过程中刀具 道沉积层完成后进行CNC端面铣削处理，得到的 可加工区域增多.该研究发现，在交替激光熔覆和
成形效率. 由于不同能量源在增材制造成形的过 程中有不同的特点和适用范围，本文将按照增材 制造所利用的各种能量源，逐类阐述电弧、激光以 及其他能量源条件下增减材混合制造装备的研究 进展情况. 1.2 基于不同能量源的增减材混合制造研究进展 1.2.1 以电弧为能量源的混合制造 电弧熔丝与铣削的结合是增减材混合制造最 常见的形式，即借助电弧产生的高温熔化丝材沉 积一层材料后，再对沉积层精密铣削得到平整的 表面，如此往复制得高精度零部件. 张海鸥等[5] 发明了“智能微铸锻铣混合制造” 技术（如图 2 所示），即将电弧微铸增材成形与连 续微锻等材成形、铣削减材成形方法混合，在沉积 层半凝固微区对其进行同步连续微锻造来细化沉 积层晶粒，并采用数控铣削方式去除后续难加工 和缺陷部分. 此工艺具有流程短，能耗低，设备一 体化、小型化的优势，且成形零件的力学性能优于 同种材料的传统锻件，是一种新型绿色制造方法. Akula 等[6] 和 Karunakaran 等[7] 开发了一种搭载了 CNC 铣削和熔化极气体保护焊（GMAW）两种工艺 的混合机床及基于 PLC 的机床控制系统. 混合加 工中沉积与铣削交替进行，一旦达到近净形状，就 进行精铣削以完成零件. 在测试了成形件性能后， 发现该方法制造的零件虽在机械性能上不如传统 方式制造的零件，但几何精度在 CNC 铣削之后可 达±0.030 mm. 该团队也分析了沉积参数在增减材 混合制造中的影响，发现了材料微观结构随沉积 参数的变化规律，以及结构零部件在增材过程由 于升降温不均匀产生了变形. Karunakaran 等 [7] 和 Sreenathbabu 等 [8] 提出一 种 基 于 电 弧 熔 丝 的 电 弧 混 合 叠 层 制 造 工 艺 （ ArcHybrid-layered manufacturing， ArcHLM） ，在每 道沉积层完成后进行 CNC 端面铣削处理，得到的 光洁表面有利于良好的层间结合. 为避免在制造 过程中升降增材喷嘴时发生碰撞，在混合机床配 备了气动制动器；焊接电源安装在机床的保护板 内. 对于增减材混合加工中冷却这一难点问题，则 采用带有 Z 字形冷却管的多孔夹具来改善沉积与 机加工过程中的散热（如图 3）. ArcHLM 工艺在制 造金属刀具和模具时能节省大量的时间和成本， 更重要的是将增材制造和精加工整合到单一平台 上进行统一控制，可以说是增减材混合加工机床 开发最早的尝试之一. Song 等[9] 将两个 GMAW 焊枪集成在 3 轴机 床的主轴旁，交替进行沉积和铣削操作，得到致密 度在 90% 以上的零部件，铣削后的部件表面粗糙 度（Ra）达 2 μm，拉伸强度与低碳钢丝相当. Song 等[10] 还使用该设备制造了多材料零件，即用两个 增材喷嘴分别沉积不同的材料，将低碳钢芯包裹 在不锈钢外壳内，得到了强度高、韧性好的组合零 件，两种材料可以在电镜下观察到明显的界面. 目前基于电弧的增减材混合制造普遍采用 3 轴或 5 轴机床或机器人作为运动平台，搭载改装 的焊接设备沉积材料. 为避免焊枪阻碍 CNC 加工 操作，一部分设备为焊枪增加了伸缩功能. 这类工 艺通常只对沉积层顶面铣削，缺少对层间轮廓铣 削的尝试，因此制造出的零部件结构相对简单，没 有悬垂和内部精细结构. 1.2.2 以激光为能量源的混合制造 在主要的增材制造工艺中，电弧增材制造的 零部件存在精度差与变形的缺陷，且使用电导率 低下的丝材时沉积效果差，这些局限性使研究人 员将目光转向了激光. Kerschbaumer 和 Ernst[11] 报道了一种激光熔覆 和 CNC 混合加工系统，将 Nd：YAG 激光熔覆头和 送粉系统集成到商用 Röders 5 轴数控机床中，5 轴 机床允许在多个构建方向上沉积材料，避免熔融 材料沿倾斜表面流动，同时显著降低对支撑结构 的要求；5 轴机床的灵活性还使得减材过程中刀具 可加工区域增多. 该研究发现，在交替激光熔覆和 Deposition direction Heat source Milling Continuous forging Melting pool Just-solidified zone Thermal deformation zone 图 2 智能微铸锻铣混合制造原理图[5] Fig.2 Principle of smart micro-casting, forging, and milling[5] 图 3 ArcHLM 工艺采用的带有冷却管的夹具[7] Fig.3 Universal fixture with coolant ducts used by ArcHLM[7] · 542 · 工程科学学报，第 42 卷，第 5 期
果春焕等：增减材混合制造的研究进展 543· 切削操作中，由于粉末原材料对熔覆环境要求严 道，经过磨削处理后，Ni-Fe-Cu部件在水平表面 苛，在加工过程中无法使用切削液，成形效率大打 上的表面粗糙度从12um减小到4m,在垂直表 折扣. 面从15m减小到13m.增材零件复杂的几何形 Jeng和Lin2使用选择性激光熔覆(SLC)和铣 状对传统磨削提出了挑战.为了应对这种挑战， 削混合工艺制造了金属快速原型和模具.利用激 Beauchamp等I9使用形状自适应磨削来对Ti6Al4V 光直接熔化喷嘴喷出的金属粉末形成熔覆层，再 金属增材制造零件后处理，该工艺使用三种不同 对熔覆层的顶部和侧面进行铣削以达到预期的精 的金刚石磨粒磨削零件表面.获得10m的表面粗 度.对完成的模具注塑，结果表明模具的几何精度 糙度 和致密度良好 Sitthi--Amorn等20开发了名为MULTIFAB的 利用选区激光熔化(SLM)在金属增材部件上 增减材混合制造设备，其主体是一个用于材料沉 构建精细垂悬结构是一大难点.精细外部结构太 积的机械臂，可以被集成到另一个5轴机床中.该 脆弱，无法承受下一层粉末的冲击，传统的减材工 系统适用于电弧和激光、等离子等能量源的能量 艺也很难处理这种类型的特征.为解决这一问题， 直接沉积(DED)工艺.主要功能为工件扫描建模， Yasa等Ⅲ)采用独特的混合制造工艺，即在选区激 通过对工件几何形状进行逆向工程，实现高价值 光熔化设备上，以两种不同模式运行Nd:YAG激 金属部件的维修 光器，以执行两种不同的制造工艺.第一种是增 目前，基于激光的混合制造占据了混合制造 材SLM工艺，此时激光器以连续模式工作；第二 的主流位置.由于激光能量源具有高度可控的特 种工艺是选区激光侵蚀(SLE),利用脉冲模式的激 点，与减材技术结合后可以制造精度最高、形状最 光在SLM工艺之后去除工件多余材料.研究表 复杂的零部件，因此已被一些企业应用于精密零 明，结合SLM和SLE可有效改善SLM部件的表 件的维修.众多知名机床制造商如Hermle、Mazak 面粗糙度，同时改善部件的孔隙率，此外，与 等也相继研发出大量基于激光的增减材混合机 SLE相结合提高了SLM的精细加工能力，可以构 床.但激光混合制造也存在一些问题，如：理论上 建尺寸在50~100m范围内的内外精细结构.这 激光可以用于大多数金属材料的增材制造，但是 项研究仅通过参数变化，重新进行机床配置即可 高反射率的材料能量吸收效率较低；切削液在激 实现混合加工方式，这提醒了研究者，混合加工并 光熔覆过程中难以使用，缺乏有效的散热手段将 不只是将不同工艺的硬件模块组合在一起，一台 会影响加工效率等 设备不经改装也可能通过不同的加工方式实现混 1.2.3基于其他能量源的混合制造 合加工. Xiong等Pu提出一种混合等离子体沉积和铣 Du等和白倩等结合选区激光熔化(SLM) 削(HPDM)工艺（如图4所示），即利用等离子弧熔 与精密铣削技术，以18Ni马氏体钢为原料进行了 融粉末完成一道沉积层时，在其顶部进行平面铣 增减材混合制造，制备出性能、精度、表面质量均 削加工，获得具有一定厚度的光滑表面，以便进一 优于由锻造与增材制造方法制造的零件.他们发 步沉积，内外表面轮廓采用T型槽铣刀轮廓铣削 现，与增材零件相比，经过铣削后的零件在凝固过 加工，去除表面残余的阶梯，获得近净形金属部件 程中引入的残余应力较小.李青宇等设计并搭 的精细表面质量.由HPDM制造普通三轴机床难 建了国内首台高校自制五轴激光熔覆与铣削增减 材混合设备，并且成功完成了金属零件的制造、加 工和修复工作，中南大学粉末冶金研究院采用国 Plasma torch Milling head 内首台增减材混合加工中心DMG MORI LASERTEC 653D完成了不锈钢粉末的增减材制造，制造过程 中结合了激光沉积工艺与5轴数控铣削，得到的 Wotkpiece Working platform 零件力学性能与锻件相当，并成功实现了异性涡 轮增压壳体等复杂形状零件的精密制造5- 磨削也可以成为混合加工的一部分，如 Lober等17利用磨削将3l6L不锈钢增材部件的表 图4等离子沉积铣削工艺示意图 面粗糙度由15um降低至0.34um.Rossi等18报 Fig.4 Schematic of the HPDM process
切削操作中，由于粉末原材料对熔覆环境要求严 苛，在加工过程中无法使用切削液，成形效率大打 折扣. Jeng 和 Lin[12] 使用选择性激光熔覆（SLC）和铣 削混合工艺制造了金属快速原型和模具. 利用激 光直接熔化喷嘴喷出的金属粉末形成熔覆层，再 对熔覆层的顶部和侧面进行铣削以达到预期的精 度. 对完成的模具注塑，结果表明模具的几何精度 和致密度良好. 利用选区激光熔化（SLM）在金属增材部件上 构建精细垂悬结构是一大难点. 精细外部结构太 脆弱，无法承受下一层粉末的冲击，传统的减材工 艺也很难处理这种类型的特征. 为解决这一问题， Yasa 等[13] 采用独特的混合制造工艺，即在选区激 光熔化设备上，以两种不同模式运行 Nd：YAG 激 光器，以执行两种不同的制造工艺. 第一种是增 材 SLM 工艺，此时激光器以连续模式工作；第二 种工艺是选区激光侵蚀（SLE），利用脉冲模式的激 光在 SLM 工艺之后去除工件多余材料. 研究表 明，结合 SLM 和 SLE 可有效改善 SLM 部件的表 面粗糙度 ，同时改善部件的孔隙率 . 此外 ， 与 SLE 相结合提高了 SLM 的精细加工能力，可以构 建尺寸在 50～100 μm 范围内的内外精细结构. 这 项研究仅通过参数变化，重新进行机床配置即可 实现混合加工方式，这提醒了研究者，混合加工并 不只是将不同工艺的硬件模块组合在一起，一台 设备不经改装也可能通过不同的加工方式实现混 合加工. Du 等[4] 和白倩等[14] 结合选区激光熔化（SLM） 与精密铣削技术，以 18Ni 马氏体钢为原料进行了 增减材混合制造，制备出性能、精度、表面质量均 优于由锻造与增材制造方法制造的零件. 他们发 现，与增材零件相比，经过铣削后的零件在凝固过 程中引入的残余应力较小. 李青宇等[15] 设计并搭 建了国内首台高校自制五轴激光熔覆与铣削增减 材混合设备，并且成功完成了金属零件的制造、加 工和修复工作. 中南大学粉末冶金研究院采用国 内首台增减材混合加工中心 DMG MORI LASERTEC 65 3D 完成了不锈钢粉末的增减材制造，制造过程 中结合了激光沉积工艺与 5 轴数控铣削，得到的 零件力学性能与锻件相当，并成功实现了异性涡 轮增压壳体等复杂形状零件的精密制造[15−16] . 磨 削 也 可 以 成 为 混 合 加 工 的 一 部 分 ， 如 Löber 等[17] 利用磨削将 316L 不锈钢增材部件的表 面粗糙度由 15 μm 降低至 0.34 μm. Rossi 等[18] 报 道，经过磨削处理后，Ni−Fe−Cu 部件在水平表面 上的表面粗糙度从 12 μm 减小到 4 μm，在垂直表 面从 15 μm 减小到 13 μm. 增材零件复杂的几何形 状对传统磨削提出了挑战. 为了应对这种挑战， Beauchamp 等[19] 使用形状自适应磨削来对 Ti6Al4V 金属增材制造零件后处理，该工艺使用三种不同 的金刚石磨粒磨削零件表面，获得 10 nm 的表面粗 糙度. Sitthi-Amorn 等 [20] 开发了名 为 MULTIFAB 的 增减材混合制造设备，其主体是一个用于材料沉 积的机械臂，可以被集成到另一个 5 轴机床中. 该 系统适用于电弧和激光、等离子等能量源的能量 直接沉积（DED）工艺. 主要功能为工件扫描建模， 通过对工件几何形状进行逆向工程，实现高价值 金属部件的维修. 目前，基于激光的混合制造占据了混合制造 的主流位置. 由于激光能量源具有高度可控的特 点，与减材技术结合后可以制造精度最高、形状最 复杂的零部件，因此已被一些企业应用于精密零 件的维修. 众多知名机床制造商如 Hermle、Mazak 等也相继研发出大量基于激光的增减材混合机 床. 但激光混合制造也存在一些问题，如：理论上 激光可以用于大多数金属材料的增材制造，但是 高反射率的材料能量吸收效率较低；切削液在激 光熔覆过程中难以使用，缺乏有效的散热手段将 会影响加工效率等. 1.2.3 基于其他能量源的混合制造 Xiong 等[21] 提出一种混合等离子体沉积和铣 削（HPDM）工艺（如图 4 所示），即利用等离子弧熔 融粉末完成一道沉积层时，在其顶部进行平面铣 削加工，获得具有一定厚度的光滑表面，以便进一 步沉积，内外表面轮廓采用 T 型槽铣刀轮廓铣削 加工，去除表面残余的阶梯，获得近净形金属部件 的精细表面质量. 由 HPDM 制造普通三轴机床难 Plasma torch Milling head Wotkpiece x z y Working platform 图 4 等离子沉积铣削工艺示意图[21] Fig.4 Schematic of the HPDM process[21] 果春焕等： 增减材混合制造的研究进展 · 543 ·
544 工程科学学报，第42卷，第5期 以制造的扭转叶片，经过渗透探伤检测，发现表面 的钛合金涂层进行球磨处理，结果表明，涂层表面 无裂纹、孔隙或缺陷.该工艺在无润滑液和冷却 的拉应力变为压应力 液的条件下进行高温干铣，导致刀具、工件和废料 在上述混合制造技术中，等离子弧的优缺点 之间的摩擦力迅速增加，切削力的增加导致切削 与电弧相近，此处不再赘述；熔融沉积成形是塑料 能快速增加，工作区域温度升高，大大缩短了刀片 增材制造的主要工艺之一，但在使用强韧性较低 寿命.研究表明，采用风冷降温能显著减少刀具磨 的材料时易出现断丝现象：超声波增材制造受限 损，延长刀具寿命 于功率，只能用于厚度较小的箔材，对厚板或高强 Zhu等四整合了熔融沉积成形(FDM)、CNC 度材料固结效果不理想；冷喷涂工艺由于其众多 铣削、检测装置，在单一平台上以热塑性塑料为原 优势，近年来得到了广泛的研究与应用，该技术能 料制造零部件，成形过程中部件发生了变形和质 完成陶瓷、高分子、金属等多种材料的喷涂，冷喷 量降低.这是由于制造过程中部件被分解为逐个 涂与减材技术结合，将成为一种极具前景的混合 构建的多个子部件进而组合，沉积的新子部件 制造技术，对国防与航天领域的涂层制备至关 (205℃)与先前制造的子部件(20℃)之间的温差 重要. 引起残余应力，导致部件变形.该课题组后续将建 1.3增减材混合制造的工艺规划 立有限元分析(FEA)模型，期望根据不同的沉积模 工艺规划是指从识别、切分部件模型到生成 式和刀具路径模拟3D瞬态热传导和对流，预测变 加工序列，确定刀具路径、工艺参数的工艺设计方 形程度和零件公差.这项研究对于混合制造这种 法.增减材混合制造与传统的减材技术在工艺规 新兴工艺的优化至关重要 划上有很大的差别.首先，在减材过程中，利用刀 Fabrisonic公司的超声增材制造技术(UAM) 具减去整块坯料上多余的材料，直至达到目标形 是一种独特的金属增材制造技术2).UAM技术中 状和尺寸.如果零件的形状比较复杂，通过减材技 使用超声波去熔融用普通金属薄片拉出的金属 术加工出零件的各种特征不仅材料浪费多、耗时 层，从而完成金属部件的增材制造.该方法能够实 长，其刀具可达性也限制了减材零件的复杂程度 现真正冶金学意义上的粘合，并可以使用各种金 在细长杆刀具加工具有弯曲、狭窄空腔特征的零 属材料，如铝、铜、不锈钢和钛等.Fabrisonic的方 件（例如叶轮）时，刀具和特征很可能会发生碰撞， 法可以同时“打印”多金属材料，该工艺能够使用 该问题也限制了刀具的选择，并影响刀具对齐的 成卷的铝或铜质金属箔片制造出带有高度复杂内 平滑性.但是，增减材混合制造在基板上先进行增 部通道的金属部件.UAM的制造过程为，使用频 材操作，随后再通过减材操作去除多余材料，通过 率高达20kHz的超声波施加在金属片上，用超声 合理的序列和路径优化，其刀具碰撞的可能性大 波的振荡能量使两个需焊接的表面摩擦，构成分 大降低，因此可以加工复杂度更高的零件.传统的 子层间的熔合，然后以同样的原理逐层连续焊接 增材和减材工艺规划通常是一个单调的过程，每 金属片.之后，通过机械加工来实现精细的3D形 一步增材减材的操作都会使工件在尺寸和形状上 状，从而形成坚实的金属物体 更接近目标状态.在这一过程中，工件在中间状态 冷喷涂是一种独特的增材制造工艺，利用高 下的大小会持续增加/减小，而不会回到上一步操 压气体将极细的粉末材料以超音速喷射到基板或 作的状态，在满足目标状态后程序即终止.而增减 目标工件表面，颗粒与零件表面扩散结合，以修复 材混合制造的工艺规划不同，增材与减材交替进 或成形零件.这种工艺无需熔化金属，从而避免了 行，工件的大小可能会变大或变小；与单向增减材 热应力与亚稳相的引入.但冷喷涂生产的复合材 料的工艺规划相比，混合制造的工艺规划可能会 料涂层由于过分的弥散强化丧失了大部分延展 出现反复添加和减去相同材料的周期，并可能无 性，这是由于增强颗粒分布不均以及涂层与基材 休止地循环2 之间存在明显的界面.Peat等为改善这一问题， 工艺规划会从多方面影响成形件的性能、尺 研究了冷喷涂与搅拌摩擦处理相结合的工艺.研 寸精度和几何精度.首先是模型文件的切片策略： 究表明，搅拌摩擦处理产生的剪切力大幅细化了 分层厚度越小，成形工件的精度和表面精度越好， 增强颗粒，其分布更加均匀.此外，晶界偏聚物也 总体成形时间越长.其次是工艺参数的选择：能量 在处理后分散.处理后的涂层硬度增加了120%， 源的功率和成形速度决定了热历史，热历史会影 抗腐蚀性能也大幅改善.Courbon等2对冷喷涂 响熔池的几何形状，而熔池形状过大或过小都会
以制造的扭转叶片，经过渗透探伤检测，发现表面 无裂纹、孔隙或缺陷. 该工艺在无润滑液和冷却 液的条件下进行高温干铣，导致刀具、工件和废料 之间的摩擦力迅速增加，切削力的增加导致切削 能快速增加，工作区域温度升高，大大缩短了刀片 寿命. 研究表明，采用风冷降温能显著减少刀具磨 损，延长刀具寿命. Zhu 等[22] 整合了熔融沉积成形（FDM）、CNC 铣削、检测装置，在单一平台上以热塑性塑料为原 料制造零部件，成形过程中部件发生了变形和质 量降低. 这是由于制造过程中部件被分解为逐个 构建的多个子部件进而组合，沉积的新子部件 （205 ℃）与先前制造的子部件（20 ℃）之间的温差 引起残余应力，导致部件变形. 该课题组后续将建 立有限元分析（FEA）模型，期望根据不同的沉积模 式和刀具路径模拟 3D 瞬态热传导和对流，预测变 形程度和零件公差. 这项研究对于混合制造这种 新兴工艺的优化至关重要. Fabrisonic 公司的超声增材制造技术（UAM） 是一种独特的金属增材制造技术[23] . UAM 技术中 使用超声波去熔融用普通金属薄片拉出的金属 层，从而完成金属部件的增材制造. 该方法能够实 现真正冶金学意义上的粘合，并可以使用各种金 属材料，如铝、铜、不锈钢和钛等. Fabrisonic 的方 法可以同时“打印”多金属材料，该工艺能够使用 成卷的铝或铜质金属箔片制造出带有高度复杂内 部通道的金属部件. UAM 的制造过程为，使用频 率高达 20 kHz 的超声波施加在金属片上，用超声 波的振荡能量使两个需焊接的表面摩擦，构成分 子层间的熔合，然后以同样的原理逐层连续焊接 金属片. 之后，通过机械加工来实现精细的 3D 形 状，从而形成坚实的金属物体. 冷喷涂是一种独特的增材制造工艺，利用高 压气体将极细的粉末材料以超音速喷射到基板或 目标工件表面，颗粒与零件表面扩散结合，以修复 或成形零件. 这种工艺无需熔化金属，从而避免了 热应力与亚稳相的引入. 但冷喷涂生产的复合材 料涂层由于过分的弥散强化丧失了大部分延展 性，这是由于增强颗粒分布不均以及涂层与基材 之间存在明显的界面. Peat 等[24] 为改善这一问题， 研究了冷喷涂与搅拌摩擦处理相结合的工艺. 研 究表明，搅拌摩擦处理产生的剪切力大幅细化了 增强颗粒，其分布更加均匀. 此外，晶界偏聚物也 在处理后分散. 处理后的涂层硬度增加了 120%， 抗腐蚀性能也大幅改善. Courbon 等[25] 对冷喷涂 的钛合金涂层进行球磨处理，结果表明，涂层表面 的拉应力变为压应力. 在上述混合制造技术中，等离子弧的优缺点 与电弧相近，此处不再赘述；熔融沉积成形是塑料 增材制造的主要工艺之一，但在使用强韧性较低 的材料时易出现断丝现象；超声波增材制造受限 于功率，只能用于厚度较小的箔材，对厚板或高强 度材料固结效果不理想；冷喷涂工艺由于其众多 优势，近年来得到了广泛的研究与应用，该技术能 完成陶瓷、高分子、金属等多种材料的喷涂，冷喷 涂与减材技术结合，将成为一种极具前景的混合 制造技术，对国防与航天领域的涂层制备至关 重要. 1.3 增减材混合制造的工艺规划 工艺规划是指从识别、切分部件模型到生成 加工序列，确定刀具路径、工艺参数的工艺设计方 法. 增减材混合制造与传统的减材技术在工艺规 划上有很大的差别. 首先，在减材过程中，利用刀 具减去整块坯料上多余的材料，直至达到目标形 状和尺寸. 如果零件的形状比较复杂，通过减材技 术加工出零件的各种特征不仅材料浪费多、耗时 长，其刀具可达性也限制了减材零件的复杂程度. 在细长杆刀具加工具有弯曲、狭窄空腔特征的零 件（例如叶轮）时，刀具和特征很可能会发生碰撞， 该问题也限制了刀具的选择，并影响刀具对齐的 平滑性. 但是，增减材混合制造在基板上先进行增 材操作，随后再通过减材操作去除多余材料，通过 合理的序列和路径优化，其刀具碰撞的可能性大 大降低，因此可以加工复杂度更高的零件. 传统的 增材和减材工艺规划通常是一个单调的过程，每 一步增材/减材的操作都会使工件在尺寸和形状上 更接近目标状态. 在这一过程中，工件在中间状态 下的大小会持续增加/减小，而不会回到上一步操 作的状态，在满足目标状态后程序即终止. 而增减 材混合制造的工艺规划不同，增材与减材交替进 行，工件的大小可能会变大或变小；与单向增/减材 料的工艺规划相比，混合制造的工艺规划可能会 出现反复添加和减去相同材料的周期，并可能无 休止地循环[26] . 工艺规划会从多方面影响成形件的性能、尺 寸精度和几何精度. 首先是模型文件的切片策略： 分层厚度越小，成形工件的精度和表面精度越好， 总体成形时间越长. 其次是工艺参数的选择：能量 源的功率和成形速度决定了热历史，热历史会影 响熔池的几何形状，而熔池形状过大或过小都会 · 544 · 工程科学学报，第 42 卷，第 5 期
果春焕等：增减材混合制造的研究进展 545· 使成型零件的几何精度降低，导致工件无法满足 计算出最佳切片方向，然后检查刀具可访问性 公差要求.另外，冷却过程中，过大的温度梯度和 Ruan等B即通过引入非均匀层构建进一步推进了 工件不同位置的冷速差异也会导致成形部件中残 这项工作，每一点的层厚度都随位置变化.他们将 余应力过大，可能会导致零件变形甚至断裂.因 构建过程分为两个阶段（如图5所示），沉积具有 此，根据零件形状和材料选择合理的工艺参数，是 恒定厚度的均匀层（等厚层），然后切削掉多余材 保证零件性能和几何、尺寸精度的关键 料形成非均匀层，该层顶面垂直于算法计算出的 另外，零件修复与新零件制造在工艺规划方 下一层的优选构建方向 面有不同的侧重点：零件修复过程需要首先对破 损部位进行三维扫描，测量尺寸并特征化零件结 构，逆向工程生成模型，随后在修复的过程中根据 监测结果进行工艺参数与增减材操作的实时调 整，确保修复部分的尺寸、形状与性能接近原部 Machining tool 件.此过程中，最重要的步骤是建立准确损坏部分 模型.新零件制造更加强调切片策略，将复杂零件 (c) 分解成层片或子部件，确定子部件的建造方向，建 图5非均匀层构建策略示意图(a)非均匀层：(b)等厚层：(c)加工 立并优化增减材操作的序列.此过程中，关键步骤 成等厚层 是合理的切片策略与操作序列的优化，要兼顾避 Fig.5 Schematic of non-uniform-layer construction strategy(a)non- 免刀具与特征碰撞、可加工性、特征支撑、节约时 uniform thickness layer;(b)uniform thickness layer,(c)machining process to form uniform thickness layer 间与材料等关键问题.本节将以切片策略、扫描 建模与实时监测、效能评估为侧重点介绍增减材 Kerbrat等提出了用于部件划分的混合和模 混合制造工艺规划的研究进展. 块化方法，以提高现有模型的可制造性；并基于 为了优化制造资源、节省时间并最小化几何 CAD模型的八叉树分解开发了可制造性指数计算 复杂性，增减材混合制造有必要开发部件分解算 软件，以比较原始模型和修改后模型的制造难度 法，采取最佳工艺规划和决策.以修复操作为例， Chang等)通过识别增材构建中的底切、非底切 Eiamsa-Ard等2设计了以混合工艺修复零件的 和非单调表面来分解零件，然后使用图论来识别 4个主要工艺规划步骤：(1)确定磨损损坏的结 最小构建序列.此外，他们在设计序列时还考虑到 构：(2)生成移除损坏/磨损结构的加工刀具路径； 了避免切削刀具与现有零件结构之间的干涉 (3)生成修复磨损/损坏的过程的沉积刀具路径； Joshi和Anandt33开发出增减材零件分割算法和工 (4)将刀具路径后处理成加工代码 艺决策方法，由算法生成的工艺计划大幅减少了 Le等I基于以上思路提出一种新的成形策 几何复杂性，优化了制造资源.此外，定义了一种 略，将输入的3D模型与损坏工件部件特征细分为 称为复杂性得分的新指标，还开发了基于制造设 增材特征与机加工特征，然后合理规划增材、减 计(DFM)规则的参数量化零件几何复杂度的方 材、检查三种操作的序列，最终实现零件的维修与 法.他们提出的方法有助于在实际制造产品之前 再制造.Kulkarni9使用零件STL文件的等间距 检测潜在的制造困难，并确定制造的最佳制造工 平面切片来识别逐层过程计划和刀具路径的方法 艺.Ren等B开发了一种工艺规划方法，能够分解零 被称为“零阶”边缘近似.为了减小阶梯效应，算法 件并为CNC加工和激光沉积生成不均匀的层厚 将原始厚切片进一步分解成精细切片，以将部件 度和刀具路径. 几何形状表示为适当的精度.Karunakuran)也使 Manogharan等B开发出了一种名为AIMS的 用零阶边缘近似来计算切片厚度和零件设计的分 混合制造系统，结合数字减影技术对沉积层的尺 层，在每一层中沿Z字形或螺旋方向构建材料.对 寸偏差实时检测，并同步调整增减材操作的刀具 每个沉积层进行面铣，以统一沉积层的高度并去 路径以修正沉积层的几何形状.Newman等IB和 除表面缺陷 Zhu等iB7开发出名为iAtractive的工艺规划系统， 等间距切片策略经过优化后诞生了自适应切 包括在单一平台上集成增材、减材工艺和监测手 片策略.Zhang和Liou0l改变了切片的方向，以减 段，该系统用于现有零件再利用和再制造.回收和 少悬垂几何形状对支撑结构的依赖性.该算法先 遗留的零件也能被重新制作成新零件，且其新功
使成型零件的几何精度降低，导致工件无法满足 公差要求. 另外，冷却过程中，过大的温度梯度和 工件不同位置的冷速差异也会导致成形部件中残 余应力过大，可能会导致零件变形甚至断裂. 因 此，根据零件形状和材料选择合理的工艺参数，是 保证零件性能和几何、尺寸精度的关键. 另外，零件修复与新零件制造在工艺规划方 面有不同的侧重点：零件修复过程需要首先对破 损部位进行三维扫描，测量尺寸并特征化零件结 构，逆向工程生成模型，随后在修复的过程中根据 监测结果进行工艺参数与增减材操作的实时调 整，确保修复部分的尺寸、形状与性能接近原部 件. 此过程中，最重要的步骤是建立准确损坏部分 模型. 新零件制造更加强调切片策略，将复杂零件 分解成层片或子部件，确定子部件的建造方向，建 立并优化增减材操作的序列. 此过程中，关键步骤 是合理的切片策略与操作序列的优化，要兼顾避 免刀具与特征碰撞、可加工性、特征支撑、节约时 间与材料等关键问题. 本节将以切片策略、扫描 建模与实时监测、效能评估为侧重点介绍增减材 混合制造工艺规划的研究进展. 为了优化制造资源、节省时间并最小化几何 复杂性，增减材混合制造有必要开发部件分解算 法，采取最佳工艺规划和决策. 以修复操作为例， Eiamsa-Ard 等[27] 设计了以混合工艺修复零件的 4 个主要工艺规划步骤：（1）确定磨损/损坏的结 构；（2）生成移除损坏/磨损结构的加工刀具路径； （3）生成修复磨损/损坏的过程的沉积刀具路径； （4）将刀具路径后处理成加工代码. Le 等[28] 基于以上思路提出一种新的成形策 略，将输入的 3D 模型与损坏工件部件特征细分为 增材特征与机加工特征，然后合理规划增材、减 材、检查三种操作的序列，最终实现零件的维修与 再制造. Kulkarni[29] 使用零件 STL 文件的等间距 平面切片来识别逐层过程计划和刀具路径的方法 被称为“零阶”边缘近似. 为了减小阶梯效应，算法 将原始厚切片进一步分解成精细切片，以将部件 几何形状表示为适当的精度. Karunakuran[7] 也使 用零阶边缘近似来计算切片厚度和零件设计的分 层，在每一层中沿 Z 字形或螺旋方向构建材料. 对 每个沉积层进行面铣，以统一沉积层的高度并去 除表面缺陷. 等间距切片策略经过优化后诞生了自适应切 片策略. Zhang 和 Liou[30] 改变了切片的方向，以减 少悬垂几何形状对支撑结构的依赖性. 该算法先 计算出最佳切片方向，然后检查刀具可访问性. Ruan 等[31] 通过引入非均匀层构建进一步推进了 这项工作，每一点的层厚度都随位置变化. 他们将 构建过程分为两个阶段（如图 5 所示），沉积具有 恒定厚度的均匀层（等厚层），然后切削掉多余材 料形成非均匀层，该层顶面垂直于算法计算出的 下一层的优选构建方向. Kerbrat 等[32] 提出了用于部件划分的混合和模 块化方法，以提高现有模型的可制造性；并基于 CAD 模型的八叉树分解开发了可制造性指数计算 软件，以比较原始模型和修改后模型的制造难度. Chang 等[3] 通过识别增材构建中的底切、非底切 和非单调表面来分解零件，然后使用图论来识别 最小构建序列. 此外，他们在设计序列时还考虑到 了避免切削刀具与现有零件结构之间的干涉. Joshi 和 Anand[33] 开发出增减材零件分割算法和工 艺决策方法，由算法生成的工艺计划大幅减少了 几何复杂性，优化了制造资源. 此外，定义了一种 称为复杂性得分的新指标，还开发了基于制造设 计 （DFM）规则的参数量化零件几何复杂度的方 法. 他们提出的方法有助于在实际制造产品之前， 检测潜在的制造困难，并确定制造的最佳制造工 艺. Ren 等[34] 开发了一种工艺规划方法，能够分解零 件并为 CNC 加工和激光沉积生成不均匀的层厚 度和刀具路径. Manogharan 等[35] 开发出了一种名为 AIMS 的 混合制造系统，结合数字减影技术对沉积层的尺 寸偏差实时检测，并同步调整增减材操作的刀具 路径以修正沉积层的几何形状. Newman 等[36] 和 Zhu 等[37] 开发出名为 iAtractive 的工艺规划系统， 包括在单一平台上集成增材、减材工艺和监测手 段，该系统用于现有零件再利用和再制造. 回收和 遗留的零件也能被重新制作成新零件，且其新功 (a) (b) Machining tool (c) 图 5 非均匀层构建策略示意图[31] . （a）非均匀层；（b）等厚层；（c）加工 成等厚层 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 果春焕等： 增减材混合制造的研究进展 · 545 ·
546 工程科学学报，第42卷，第5期 能与原始零件不同.部件的再制造主要通过适当 (4)工艺规划.对于形状较为复杂的零件，由 地对增减材工艺进行排序来实现.通过扫描获取 于层与层之间复杂的空间关系，工序往往需要资 的现有部件的几何信息，根据生成的工艺计划连 深工程师人为修正.为了提高成形效率与精度，需 续增加减少材料. 要开发更加智能、可靠的自动模型切分与工艺规 Ranjan等B8-提出了“生产能力指数”概念， 划系统 用于比较通过增材制造的不同零件设计.Lutter- (5)可靠的实时检测手段与反馈调节系统.为 Gunther等ao分析了混合制造技术的成本和资源 了精准控制增减材工艺中工件的几何形状，需要 投入，建立了混合增材工艺的成本模型，该模型能 对熔池与沉积层进行实时的成分与外形检测，以 够分析给定部件的制造成本结构以及混合制造机 确定减材精加工需要去除的材料量.检测设备将 床操作的资源投入 信号反馈给NC系统后，需要准确、实时调节电源 可以发现，现有的增减材工艺规划研究主要 功率，送料速度等工艺参数.考虑到热力场模拟需 侧重于模型分层策略的改进、零件可加工性的评 要消耗的资源较大，增减材混合制造需要大量实 估与增减材工艺工序设计方面，但是从工业应用 验来建立类似于GTAW的经验数据库 的角度来看，增减材混合制造更需要一套实时的 增减材混合制造结合了两种工艺的优点，是 检测反馈调节系统，以及配套的完整的闭环控制 一种高效、高精度的先进制造技术.相信随着以 系统.闭环控制的关键是加工之后的检测步骤，但 上技术难题的解决，这门新兴技术会成为多行业、 如何将渗透测量技术不受影响地整合到混合机床 多领域中生产和修复复杂零件的重要技术 中是一大难点.此外，工艺参数之间复杂的关联性 也增加了闭环控制的难度 参考文献 2结束语与展望 [1] Saunders S.Free 3D systems whitepaper discusses scalable,digital molding process and figure 43D printing[EB/OL].3DR Holdings 增减材混合制造解决了增材制造中部分异形 (2018-09-27)2020-03-23].https:l/3 dprint..com/225981/digita- 零件难以加工的问题，相比传统的工艺流程大幅 molding-whitepaper/ 降低了成本，改善了增材制造的成形精度与表面 [2] Ritt S.Trends in metal additive manufacturing:fast and big 质量，并且还降低了凝固过程中引入的残余应力， [EB/OL].WTWH Media (2013-12-09)[2020-03-231.https://www. 在模具、医疗、航空航天、国防领域具有广阔的应 makepartsfast.com/trends-metal-additive-manufacturing-fast-big/ 用前景.这门新兴的技术虽然有着很好的应用前 [3] Chang Y C,Pinilla J M,Kao J H,et al.Automated layer 景，但是目前仍然存在一些问题阻碍其大规模应 decomposition for additive/subtractive solid freeform fabrication / 用.增减材混合制造未来需要解决的重点技术问 1999 International Solid Freeform Fabrication Symposium 题如下： Austin,.1999:111 (1)机床冷却系统.残留在沉积层的冷却液蒸 [4]Du W,Bai Q,Zhang B.A novel method for additive/subtractive 发会形成孔隙，影响沉积层的层间结合和力学性 hybrid manufacturing of metallic parts.Procedia Manuf,2016,5: 1018 能：而加工后自然冷却会影响制造的效率.增减材 [5] Zhang H O,Huang C,Li R S,et al.A super short-process green 混合制造仍然需要可靠的冷却系统应对增材制造 manufacturing method and energy consumption analysis of micro 与机加工过程产生的热量 casting forging and milling for high performance parts.China (2)机床保护.增材制造所用粉末颗粒直径 Mech Eng,2018,29(21):2553 小，如果机床密封不到位，粉末会污染引导系统干 (张海鸥，黄丞，李润声，等.高端金属零件微铸锻铣复合超短流 扰其平稳运动，而且会影响机床中的定位编码器 程绿色制造方法及其能耗分析.中国机械工程，2018,29(21)： 当处理高反射率材料（如铝，铜）时，激光束的反射 2553) 可能导致防护装置或其他敏感元件特定区域熔 [6] Akula S,Karunakaran K P.Hybrid adaptive layer manufacturing: 化，需要保护装置 an intelligent art of direct metal rapid tooling process.Robor (3)增材制造部分仍需建立行业标准.传统数 Comput-Integr Manuf,2006,22(2):113 控加工行业中，主轴、刀具接口、控制系统等，都 [7] Karunakaran K P,Suryakumar S,Pushpa V,et al.Retrofitment of 建立在统一标准之上，但增减材制造领域目前缺乏 a CNC machine for hybrid layered manufacturing.IntJ Adv Manuf 统一行业标准，这样的标准建立需要漫长的时间 Technol..2009.45(7):690
能与原始零件不同. 部件的再制造主要通过适当 地对增减材工艺进行排序来实现. 通过扫描获取 的现有部件的几何信息，根据生成的工艺计划连 续增加/减少材料. Ranjan 等[38−39] 提出了“生产能力指数”概念， 用于比较通过增材制造的不同零件设计. LutterGünther 等[40] 分析了混合制造技术的成本和资源 投入，建立了混合增材工艺的成本模型，该模型能 够分析给定部件的制造成本结构以及混合制造机 床操作的资源投入. 可以发现，现有的增减材工艺规划研究主要 侧重于模型分层策略的改进、零件可加工性的评 估与增减材工艺工序设计方面，但是从工业应用 的角度来看，增减材混合制造更需要一套实时的 检测反馈调节系统，以及配套的完整的闭环控制 系统. 闭环控制的关键是加工之后的检测步骤，但 如何将渗透测量技术不受影响地整合到混合机床 中是一大难点. 此外，工艺参数之间复杂的关联性 也增加了闭环控制的难度. 2 结束语与展望 增减材混合制造解决了增材制造中部分异形 零件难以加工的问题，相比传统的工艺流程大幅 降低了成本，改善了增材制造的成形精度与表面 质量，并且还降低了凝固过程中引入的残余应力， 在模具、医疗、航空航天、国防领域具有广阔的应 用前景. 这门新兴的技术虽然有着很好的应用前 景，但是目前仍然存在一些问题阻碍其大规模应 用. 增减材混合制造未来需要解决的重点技术问 题如下： （1）机床冷却系统. 残留在沉积层的冷却液蒸 发会形成孔隙，影响沉积层的层间结合和力学性 能；而加工后自然冷却会影响制造的效率. 增减材 混合制造仍然需要可靠的冷却系统应对增材制造 与机加工过程产生的热量. （2）机床保护. 增材制造所用粉末颗粒直径 小，如果机床密封不到位，粉末会污染引导系统干 扰其平稳运动，而且会影响机床中的定位编码器. 当处理高反射率材料（如铝，铜）时，激光束的反射 可能导致防护装置或其他敏感元件特定区域熔 化，需要保护装置. （3）增材制造部分仍需建立行业标准. 传统数 控加工行业中，主轴、刀具接口、控制系统等，都 建立在统一标准之上，但增减材制造领域目前缺乏 统一行业标准，这样的标准建立需要漫长的时间. （4）工艺规划. 对于形状较为复杂的零件，由 于层与层之间复杂的空间关系，工序往往需要资 深工程师人为修正. 为了提高成形效率与精度，需 要开发更加智能、可靠的自动模型切分与工艺规 划系统. （5）可靠的实时检测手段与反馈调节系统. 为 了精准控制增减材工艺中工件的几何形状，需要 对熔池与沉积层进行实时的成分与外形检测，以 确定减材精加工需要去除的材料量. 检测设备将 信号反馈给 NC 系统后，需要准确、实时调节电源 功率，送料速度等工艺参数. 考虑到热力场模拟需 要消耗的资源较大，增减材混合制造需要大量实 验来建立类似于 GTAW 的经验数据库. 增减材混合制造结合了两种工艺的优点，是 一种高效、高精度的先进制造技术. 相信随着以 上技术难题的解决，这门新兴技术会成为多行业、 多领域中生产和修复复杂零件的重要技术. 参 考 文 献 Saunders S. Free 3D systems whitepaper discusses scalable, digital molding process and figure 43D printing[EB/OL]. 3DR Holdings (2018-09-27)[2020-03-23]. https://3dprint.com/225981/digitalmolding-whitepaper/ [1] Ritt S. Trends in metal additive manufacturing: fast and big [EB/OL]. WTWH Media (2013-12-09)[2020-03-23]. https://www. makepartsfast.com/trends-metal-additive-manufacturing-fast-big/ [2] Chang Y C, Pinilla J M, Kao J H, et al. Automated layer decomposition for additive/subtractive solid freeform fabrication // 1999 International Solid Freeform Fabrication Symposium. Austin, 1999: 111 [3] Du W, Bai Q, Zhang B. A novel method for additive/subtractive hybrid manufacturing of metallic parts. Procedia Manuf, 2016, 5: 1018 [4] Zhang H O, Huang C, Li R S, et al. A super short-process green manufacturing method and energy consumption analysis of micro casting forging and milling for high performance parts. China Mech Eng, 2018, 29（21）: 2553 （张海鸥, 黄丞, 李润声, 等. 高端金属零件微铸锻铣复合超短流 程绿色制造方法及其能耗分析. 中国机械工程, 2018, 29（21）： 2553） [5] Akula S, Karunakaran K P. Hybrid adaptive layer manufacturing: an intelligent art of direct metal rapid tooling process. Robot Comput-Integr Manuf, 2006, 22（2）: 113 [6] Karunakaran K P, Suryakumar S, Pushpa V, et al. Retrofitment of a CNC machine for hybrid layered manufacturing. Int J Adv Manuf Technol, 2009, 45（7）: 690 [7] · 546 · 工程科学学报，第 42 卷，第 5 期
果春焕等：增减材混合制造的研究进展 547 [8]Sreenathbabu A,Karunakaran K P,Amarnath C.Statistical process (SAG).Surf Topography:Metrology Prop,2015,3(2):024001 design for hybrid adaptive layer manufacturing.Rapid Prototyping [20]Sitthi-Amorn P,Ramos JE,Wangy Y,et al.MultiFab:a machine J,2005,11(4:235 vision assisted platform for multi-material 3D printing.ACM Trans [9]Song Y A,Park S,Choi D,et al.3D welding and milling:Part I-a Graph,2015,34(4)129 direct approach for freeform fabrication of metallic prototypes.Int [21]Xiong X H,Zhang H O,Wang G L.Metal direct prototyping by JMach Tools Manuf,2005,45(9):1057 using hybrid plasma deposition and milling.J Mater Process [10]Song Y A,Park S,Chae S W.3D welding and milling:Part II Technol,2009,209(1):124 Optimization of the 3D welding process using an experimental [22]Zhu Z,Dhokia V G,Nassehi A,et al.A review of hybrid design approach.Int./Mach Tools Manuf,2005,45(9):1063 manufacturing processes-State of the art and future perspectives. [11]Kerschbaumer M,Ernst G.Hybrid manufacturing process for rapid Int J Comput Integr Manuf,2013,26(7):596 high performance tooling combining high speed milling and laser [23]Hehr A,Wenning J,Terrani K,et al.Five-axis ultrasonic additive cladding /Proceedings of the 23rd International Congress on manufacturing for nuclear component manufacture.JOM,2017, Applications of Lasers Electro-Optics.Orlando,2004:1710 69(3):485 [12]JengJY,Lin MC.Mold fabrication and modification using hybrid [24]Peat T,Galloway A,Toumpis A,et al.The erosion performance of processes of selective laser cladding and milling.Mater Process cold spray deposited metal matrix composite coatings with Technol,2001,110(1):98 subsequent friction stir processing.ppl ufSci,2017,96:1635 [13]Yasa E,Kruth J P,Deckers J.Manufacturing by combining [25]Courbon C,Sova A,Valiorgue F,et al.Near surface selective laser melting and selective laser erosion/laser re-melting. transformations of stainless steel cold spray and laser cladding CIRP Annals,2011,60(1):263 deposits after turning and ball-burnishing.Suf Coat Technol, [14]Bai Q,Dong Z G,Yan Y,et al.Development of additive 2019,371:235 subtractive hybrid manufacturing practical teaching platform for [26]Flynn J M,Shokrani A,Newman S T,et al.Hybrid additive and full-time master of engineering students.Lab Sci,2018,21(2): subtractive machine tools-Research and industrial developments. 158 Int J Mach Tools Manuf,2016,101:79 (白倩，董志刚，月英，等.金属增诚材复合制造专业硕士实践教 [27]Eiamsa-Ard K,Nair H J,Ren L,et al.Part repair using a hybrid 学平台建设.实验室科学，2018,21(2)：158) manufacturing system /Proceedings of the Sixteenth Annual Solid [15]LiQY,Li DC.Zhang A F.et al.Development and challenges of Freeform Fabrication Symposium.Austin,2005:1 laser cladding deposition and machining composite manufacturing [28]Le V T,Paris H,Mandil G.Process planning for combined technology /Proceedings of the 17th National Special Processing additive and subtractive manufacturing technologies in a Conference (Abstract).Guangzhou,2017:194 remanufacturing context.J Manuf Syst,2017,44:243 (李青宇，李涤尘，张安峰，等.激光熔覆沉积与切削加工复合制 [29]Kulkami P,Marsan A,Dutta D.A review of process planning 造技术的发展与挑战∥第17届全国特种加工学术会议论文集 techniques in layered manufacturing.Rapid Protoryping J,2000, (摘要).广州，2017：194) 6(1):18 [16]Zhang J T,Zhang W,Li Y J,et al.Laser deposition [30]Zhang J,Liou F.Adaptive slicing for a multi-axis laser aided additive/subtractive hybrid manufacturing process for stainless manufacturing process./Mech Des,2004,126(2):254 steel powder based on DMG MORI LASERTEC 653D.Mater Sci [31]Ruan JZ,Zhang J,Liou F.Selection of part orientation for multi- Eng Powder Metall,2018,23(4):368 axis hybrid manufacturing process /ASME 2009 International (张军涛，张伟，李字佳，等.基于DMG MORI LASERTEC Design Engineering Technical Conferences and Computers and 653D加工中心的不锈钢粉末激光沉积增减材复合制造.粉末 Information in Engineering Conference.San Diego,2010:587 治金材料科学与工程，2018,23(4)：368) [32]Kerbrat O,Mognol P,Hascoet J Y.A new DFM approach to [17]Lober L,Flache C,Petters R,et al.Comparison of different post combine machining and additive manufacturing.Comput Ind, processing technologies for SLM generated 316L steel parts.Rapid 2011,62(7):684 Proo0 ping J,2013,19(3):173 [33]Joshi A,Anand S.Geometric complexity based process selection [18]Rossi S,Deflorian F,Venturini F.Improvement of surface for hybrid manufacturing.Procedia Manuf,2017,10:578 finishing and corrosion resistance of prototypes produced by direct [34]Ren L,Eiamsa-ard K,Ruan J Z,et al.Part repairing using a hybrid metal laser sintering.J Mater Process Technol,2004,148(3):301 manufacturing system/l ASME 2007 International Manfacturing [19]Beaucamp A T,Namba Y,Charlton P,et al.Finishing of Science and Engineering Conference.Atlanta,2007:MSEC2007- additively manufactured titanium alloy by shape adaptive grinding 31003
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