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 ·