增减材混合制造技术的研究现状与进展＊

孙海江 邢 飞 卞宏友 锁红波 董 呈 苗立国

（①沈阳工业大学机械工程学院，辽宁 沈阳 110870；②南京中科煜宸激光技术有限公司，江苏 南京 210000）

目前，增材制造（additive manufacturing, AM）工艺是制造高质高精度复杂金属零构件的最可靠技术之一[1]。与传统加工相比，AM在制造产品中遵循相反的方向成形原理，它通过“自下而上”一层一层的材料融合和粘合，消除传统工艺在生产复杂零构件方面的局限性[2-3]。此外，该技术涵盖传热学、材料学、热力学和流体力学等诸多学科，它们之间又相互影响，十分复杂，不可避免地会出现台阶效应、尺寸精度和表面粗糙差等负面影响；而如医疗领域的精密部件要求十分苛刻，单靠增材制造的零件难以满足其精度要求。有的学者提出了增减材混合制造 (additive and subtractive hybrid manufacturing, ASHM)技术[4-6]，该技术是将两种工艺通过三轴或多轴机器相集成的方式。如图1所示，结合了增材与减材两种工艺的优点，能更好地诠释“设计即所得”的概念，而打印方向、温度梯度、材料特性、刀具加工时机、喷嘴直径、扫描速度和激光功率等都是零件最终性能要考虑的影响因素。目前发达国家纷纷也将增材制造、增减材制造作为未来产业发展的发展方向，从而满足航空、航天、武器装备等高精尖领域日益增长的性能要求。学者纷纷开展了相关性的研究，包括增减材设备的研发、路径规划过程仿真及动态过程智能闭环控制等。本文主要从国内外增减材设备研究现状和激光、电弧两种能量源在金属增减材制造技术相关研究，并对未来发展趋势进行讨论。

1 增减材制造技术概述

增减材复合制造技术是一种将产品设计、软件控制、增材制造与减材制造相结合的新型技术。借助计算机生成CAD模型，并将其按一定的厚度分层，从而将零件的三维数据信息转换为系列的二维或三维轮廓几何信息，由层面几何信息和沉积参数、机加工参数生成3D打印路径数控代码，最终成形三维实体零件；然后对成形的三维实体零件进行测量与特征提取，并与CAD模型进行对照，寻找到误差区域后，基于减材制造，对零件进行进一步加工修正，直至满足具有高质量以及内部复杂精密的成型。

早在20世纪90年代，美国学者对形状沉积制造方法(SDM)进行了深入研究，为了减少材料在电弧熔材后氧化层对组织的影响，对表面进行光整加工[7]。Chang Y C等[8]首先提出增减材制造这一概念，该方法将选择性激光熔化与精密铣削相结合，以提高零件的表面光洁度以及几何尺寸精度。

ASHM过程如图2所示，将数字CAD模型分成薄片，再通过选择性激光熔化方法逐层构建这些薄片，首先将基材进行装夹，当激光束扫过粉末床的表面并使粉末熔化时，一层烧结后，平台降低一层，并在烧结层的顶部接收新的粉末层，反复循环，然后通过铣削进行“消除”残渣，最终可以加工复杂异形零件。

图2 形状沉积制造方法[8]

2 国内外增减材混合设备现状

因增材成形制造过程中有灵动性较强，受到的工艺约束较少等优势，多数商家将增材机构设备有机整合到多轴数控机床作为新的发展方向。国外学者对混合设备进行了相关性研究，避免干涉的情况下，通过将激光加工头整合在数控机床的方式，Himmer T等人[9]开发一台集成激光熔覆和铣削的增减材混合设备，将熔覆装置安装在数控机床的主轴旁，完成复杂形状的制造。Ren L[10-11]使用激光涂层和减材制造来修复航空航天和的精密零件，首先对受损零件进行三维扫描确定路径，再对需修复部分进行材料“沉积-去除-抛光”等步骤，验证了复合工艺在航天修复领域的可行性。Sitthi-Amorn P等[12]将一个集成了电弧和激光能量源的机械臂连接到一台五轴数控机床上，对零件的几何形状进行逆向工程。Ye L P等[13]开发了一种脉冲激光送丝沉积和铣削机床，用于增材和减材的联合加工，并分析了脉冲激光参数对工件结构和性能的影响。

国内学者也展开了相关的研究，刘肖肖等人[14]研制了一台熔融增材制造与铣削减材复合加工中心，龙门结构尺寸为 700 mm×640 mm×780 mm。并进行了增减材相关试验，验证了所研发设备的性能以及PEEK材料在医疗领域的巨大潜力。郭观林[15]设计了五轴床，并对机床进行静、动态分析，得出机床的复合制造机的整机固有频率和振型，并提出采用坐标十字对点耦合方法解决复合制造的工位转换问题。孔刘伟等人[16]开发了“双转台”式五轴结构联动增减材混合加工中心，分析提出了机床整体的联动控制方法，进行了相关试验，初步得到了符合预期的加工效果。孙传圣[17]通过商业化软件自主开发了增减材混合(ASHM)装备，主要结构包括工业机器人、增材模块、CNC模块和送料机构和辅助系统组成；研究了激光光斑大小和能量密度对拉伸强度以及能量密度对成形层的精度和表面质量的影响。

如表1所示，列出了国内外现有的增减式混合设备及其主要特点，可以看出国内外在硬件设备方面均有许多研究成果，其中多数机构作为平台转型成为制造商的一种新型机床。 可以作为平台的改型或制造商的新机床。相比于国外，国内研究进展起步较晚，目前国内的改造设备主要以满足实验为主，投入商业的混合设备相对较少；主要是过程中存在一些难以解决的问题，如：切削液在激光增材过程中难以使用，带热铣削的零件内部性能受到一定的影响等等。

表1 国内外增减材制造设备

3 增减材混合制造工艺研究

由于不同材料沉积方式在增材制造中有不同的适用范围。本文将按照各种工艺需求，逐类阐述以粉末、丝材以及其他金属条件下国内外增减材混合制造工艺相关进展情况。

3.1 基于激光送粉的近净成型增减材混合制造

增材制造需解决的问题往往首先是有效控制表面精度问题，国外学者对成形零件后处理粗糙度进行相关的研究，Lukas Löber[18]通过加工后处理零件，结果大幅度的降低了零件的表面粗糙度，获得良好的表面形貌。Beauchamp A T等人[19]使用形状自适应磨削来精加工零件，在此过程中，通过使用3种不同的金刚石磨粒进行加工，获得了约10 nm的表面粗糙度 (Ra)；Jeng J Y[20]研究使用 SLC 和铣削混合工艺进行模具改造和修复的可行性。Xie Y等[21]研究了激光能量沉积和机械加工的工艺组合，以分析参数并检查其对不锈钢的影响，从而生产复杂的航空轴承支架，并应用Abaqus中的数学模拟来检验工艺参数的最佳范围。

章媛洁等人[22]研究了致密度、铣削深度对3D打印成形件的表面粗糙度和残余应力的影响，该实验改善了铣削后成形件的致密度。张军涛等[23]通过研究激光沉积成形的激光功率、扫描路径及搭接率等工艺参数对沉积层截面尺寸与表面粗糙度的影响，并对不锈钢轮胎模具进行建模图3a，粗糙度满足设计要求图3b。

图3 增减材复合制造316L不锈钢轮胎模具零件[23]

在保证成形精度的基础上，郭鹏[24]研究了激光增材制造316L不锈钢的力学性能和铣削性能，通过实验确定了增减材混合制造的最佳工艺参数，并分析了金属激光增材制造和锻造的性能差异，研究了金属激光增材制造过程中的工件温度场。结果表明：温度场的冷却速率与激光功率和工件初始温度成反比。Yang Y Y[25]对增减材复合制造316L锈钢薄壁圆环表面残余应力的分布进行了试验（如图4），实验结果得知：在工艺参数允许范围内，送粉速率对熔覆层的残余应力影响呈正相关。侯科羽[26]探究了工艺参数对单道多层316L/GH4169功能梯度增减材混合成型薄壁零件及块体的机械性能等参数的影响，最终获得成型质量良好，顶部硬度良好的增减材混合制造功能梯度扭转件。

6) 外输结束。当外输油量达到既定值时，外输结束，关闭外输泵，常规油船将之前接收的水通过CTV打回到FPSO以冲洗油管，增压泵旁通阀打开，外泄阀关闭，CTV软管与常规油船断开，并将油管中残余的水排至CTV的污液舱，由拖船协助软管回收到CTV的卷筒上。常规油船系泊解脱，CTV回收系泊缆索，断开侧装载接头，由拖船协助软管回收到FPSO的软管收放滚筒上。

图4 ASHM 工艺的实验系统照片

国内学者针对复合制造过程采用仿真结合实验进行相关研究，黄鑫[27]采用增材制造有限元仿真，实现增减工艺交替过程的基础研究，并对钛合金进行增材和减材工艺基础试验。李帅[28]针对钛合金的增减材混合制造展开了研究，研究了增材残余温度场对减材加工的影响，通过构建端部钛合金铣削模型，进行实验与模型校核，为增材件的铣削过程检测提供了有效的试验研究基础。

3.2 基于选择性激光烧结的增减材混合制造

利用选区激光熔化技术在金属制造上，支撑件对精细结构是值得突破的难点，由于精细外部结构强度弱，无法承受粉末的持续冲压，传统的减材也很难处理这种特征。唐成铭[29]构建了一种基于激光选区熔化和高速铣削技术的增减材混合制造系统，根据增减材交替工艺排布方法后，刮刀的磨损量比单纯的SLM加工方法降低了约35%，有效减轻零件表面对铺粉刮刀的磨损，从而有利于增材加工工艺的进行，最后通过曲面零件验证了增减材混合加工工艺的可行性。

Spierings A B等人[30]通过测试两种不锈钢的动态性能，使用CNC车削来精加工AISI316和15-5HP钢制造的零件，零件表面粗糙度为0.4 μm，研究结果表面SLM制造的不锈钢表现出与传统加工材料相当的拉伸和疲劳性能。陈曦[31]以通过研究增减材制造过程中不同激光功率，扫描速度对表面质量与材料利用率的影响，对激光选区熔融增材制造沉积层的铣削过程进行过程仿真，发现切削速度、每齿进给量、刀具切入角和铣削厚度粗糙度的影响较为显著。杜琛[32]针对粉体材料，开发了激光选区沉积技术与减材技术的增减材复合制造加工中心，研究有效地平衡了增材成形效率和表面粗糙度的不匹配关系，为激光选择性熔化技术的使用提供了广泛的可能性。

陈峰等[33]以从316L不锈钢粉末出发，通过增减交换的加工方式对其表面粗糙度、力学性能和硬度进行试验。如图5所示，结果实验表明：试样的表面粗糙度与铣削速度成反比，与每齿进给量成反比。由此表明，在工艺允许范围下，该制造技术可以制造出具有较锻件更好的表面质量和力学性能的零件。Heigel J C[34]研究了在混合增减材制造过程中遇到的多个过程的相互作用引起的零件变形，考虑中子衍射测量的选用与圆柱体中的残余应力相对关系，分析实验数据得出圆柱体亚稳态奥氏体的相变规律，可能是影响应力平衡的决定性因素。

图5 不同成形方法制备的 316L 不锈钢试样拉伸性能对比 [33]

3.3 基于电弧熔丝增减材（HWAAMS)混合制造

复合线材电弧增减制造是两种工艺交替使用，是实现复杂结构近净成形的有效方法，如图6所示。与激光和电子束熔化相比，低成本、效率高和成形尺寸大是电弧送丝工艺的主要优势。

图6 线材电弧增减材复合工艺图[35]

在大型尺寸金属成型件制造方面，采用电弧增材制造环间壳段，由于环顶盖尺寸的原因，壳臂和加强筋的二次加工很困难，制造成本也很高。Zhang S[35]通过线材电弧增减材制造技术，首先通过WAAM创建一个层（图7a），然后将上表面铣削0.8 mm（图7b），重复这两个步骤后，重复这两个步骤10层后，加工周期反复进行，直到零件完成（图7c），沉积的外壳和加强金的表面被铣削以满足设计要求（图7d）。

图7 电弧熔丝增减材混合制造零件图[35]

图8 WAAM制造的Al5Si横截面试样的OM图像[38]

图9 HWAAMS 制造的 Al5Si横截面样本的 OM 图像 (t = 0.8 mm)[38]

4 增减材混合制造软件实时检测

增减材复合技术虽然能消除零件因台阶效应引起的表面粗糙度差、尺寸精度低等“外部问题”，但零件会受温度梯度和冷凝速率的影响，结果导致零件的底部、中部和顶部的微观组织也是不同的，从而会导致零件性能和质量下降，一旦在加工完成后检测到缺陷，则整个零件性能不佳甚至报废。

为了解决增材零件中的“内部缺陷”，国内外学者对此展开了相关研究，Mahmoudi M等[39]提出一种激光粉末床熔融金属过程中的分层异常检测方法，使用高速热成像来捕获熔池温度，通过温度与其最佳值的偏差作为来控制质量方法的手段。Vandone A 等[40]研究了过程中熔池的动态形状，使用双波长成像高温计系统记录熔池和周边地区的形状区域，并对图像加工实时检测分析并将其反馈给计算机系统，找到适用不同滤波器与不同激光功率关系。Kwon O[41]通过神经网络探究了熔池图像相对于激光功率的分类模型，当熔池图像边缘模糊时，

所提出的神经网络会对熔池图像进行量化，从而推断引起微观结构变化的位置或无损分离有缺陷的产品，证明了该技术能够检测到每层沉积材料中形成的近表面和典型微缺陷。但上述方法并不适用增减材混合过程中，因增减材过程中工序复杂，工况多变。

国外学者对AHSM的实时检测从涡流检测入手，Du W[42]将EC（涡流）检测器集成到增减材混合制造过程中，如图10所示，对零件的亚表面缺陷进行了可行性测试，对涡流检测与X射线计算机断层扫描结果进行了比较，通过实验和模拟，证明EC检测整合到增减材复合制造中，可以产出质量更好、性能更好的零件。

图10 增减材混合制造红外检测图[42]

王龙群[43]首先把在线测试技术引进了增减材混合生产的过程中，如图11所示，根据增减材混合生产对内部缺陷的测试需求，通过构建内部缺陷涡流测试模式,求解了不同检测参数条件下不同特征的缺陷所产生的线圈电抗增量，结合有限元仿真，得到了内部缺陷涡流检测的一般规律；实验结果表明：其信号间的差异随深度的增加而减小。Tamellini L[44]针对复杂结构件内腔制造性突出问题，提出一种基于参数形状优化的数值方法，通过交替不同的模式，用稀疏网格替代目标函数和约束函数，减轻了计算量，结果表明了方法的有效性。Liu W针对[45]增材制造和减材制造的多重交替特性，提出了一种基于过程特征的增减材组合能耗模型，如图12所示，在保证良好成形质量的前提下，提高扫描速度和加工速率，可以有效降低ASHM的总能消耗。

图11 ASHM 过程检测示意图[43]

图12 以增减材混合工艺制造简化轴承座为例

5 增减材混合制造关键技术难点

增减材混合制造技术可以解决增材过程中部分异形件难以成形的问题，相比于减材制造有效地控制零件所带来的残余应力和变形控制；在航天航空、医疗和模具等高端制造领域有广阔的发展前景，但目前仍存在着诸多问题尚未解决。有关增减材混合制造待解决的关键技术难点如下：

（1）混合装备的研制设备

若将二者工艺整合在一个加工机床里面，不仅要考虑制造可行性、零件支撑问题和材料利用率等问题，还要考虑本身机床灵活性和各个部件的小型化、成形过程中部件的均衡化；为解决打印质量与成形效率的矛盾，考虑涉及众多的误差因素，包括反方向定位误差、工作平面误差、各轴间的相对误差以及联动插补运动的误差。尽管ASHM方面带来了很多优势，但这种技术仍然存在局限性。例如，与细小粉末材料接触的切削液可能是爆炸性的；在高速切削过程中，由于切削液与粉末材料的混合，加热的影响可能会导致切削条件的改变，影响加工参数。干铣削和带热铣削对增材工件的影响也有待研究。

（2）在线检测系统的研制

为精确掌控复合工艺中零部件的成形精度和温度梯度所带来的性能的改变，需对熔池与沉积层的材料成份和形貌系数进行实时监测，保证各个特征的轮廓连续性，还要考虑到加工过程中基材的温度梯度，以确定减材工作最佳时机和铣削厚度的掌握；当打印零部件过程中出现膨胀收缩时，传感器会将信息反馈给计算机系统，计算机系统可实时调节输出功率、送粉速率、搭接率、铣削深度、铣削速度和进给量等参数，进行实时动态补偿与修正调整，确保加工过程零件的连续性和完整性，整个过程是由软件智能控制的。

针对具有内孔内腔、内流道等复杂零部件，鉴于层面间错综复杂的位置关系，运动轨迹存在干涉/碰撞的问题，操作人员往往需要不断去积累经验，来平衡效率与表面质量之间的关系，因此需开发更智能的特征分层软件和工序相关软件；同时，支撑结构也结合需要多因素综合性考虑，包括支撑结构的垂直角是否能与混合工序相匹配、设备本身刚度对零部件的影响？打印结构的强度如何、喷嘴的运动轨迹多少合适、减材加工的实时温度检测、如何规划下一步刀具路径、机器手臂的延展性如何。针对复杂零构件的典型特征结构，软件会规划出最合理的成形路径，因此，国产增减材混合加工软件的开发十分有必要。

金属增减材混合制造是在原有的增材制造、工件冷却后，进行减材的基础上提出的一种高效、柔性、低成本和高精度等新型绿色制造技术，相信随着以上技术难点被攻破，对国家重大战略需求的航天航空、能源、卫星、智能制造等高端领域的制造具有巨大的潜力。