增減材復(fù)合制造技術(shù)應(yīng)用研究

1 增材制造(AM)發(fā)展背景

機(jī)械制造業(yè)作為國家發(fā)展戰(zhàn)略之一，國與國之間的競爭日趨激烈，現(xiàn)階段，機(jī)電產(chǎn)品中對零件的輕量化、整體性、高精度、高性能等特性的要求日益迫切，而傳統(tǒng)制造方法受到模具、刀具、夾具、量具、人為引入誤差等缺陷，已無法滿足對零件的要求，而增材制造以復(fù)雜零件快速成型、個性化定制、數(shù)字樣機(jī)、零件再制造成本低等優(yōu)點(diǎn)，有效彌補(bǔ)了傳統(tǒng)制造方法涉及的缺陷，成為制造業(yè)可持續(xù)發(fā)展技術(shù)。我國在2015年已提出“綠色發(fā)展”理念，增材制造符合其發(fā)展理念?！吨袊圃?025》描繪了從制造大國到制造強(qiáng)國宏偉藍(lán)圖，提出了發(fā)展質(zhì)量和水平具有跨越意義的當(dāng)屬增材制造。

2 增材制造概述

2.1 增材制造的原理

增材制造是綜合了計(jì)算機(jī)圖形處理、材料加工、成型技術(shù)，利用數(shù)字化信息及其控制技術(shù)，應(yīng)用軟件與數(shù)控系統(tǒng)經(jīng)過建模、設(shè)計(jì)并調(diào)整加工方案，將專業(yè)材料(金屬材料、非金屬材料、其他材料)按照激光選區(qū)熔化(SLM)、激光選區(qū)燒結(jié)(SLS)、激光近凈成形(LENS)、電子束選區(qū)熔化(EBSM)、電子露絲沉積(EBDM)、光固化成形SLA)、熔融沉積成形(FDM)、三維立體打印(3DP)等的增材制造成型工藝技術(shù)，逐層堆積制造出實(shí)體物品的制造技術(shù)。在涉及機(jī)械領(lǐng)域有重要應(yīng)用，已逐漸在人體骨骼、工藝美學(xué)等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。相對于傳統(tǒng)的機(jī)械加工制造工藝，增材制造在復(fù)雜度較高零件的構(gòu)建上有巨大的優(yōu)勢，是一種“自下而上、逐層疊加”的材料加工方法。

2.2 增材制造的命名及工藝類別

自20世紀(jì)80年代末增材制造技術(shù)逐步發(fā)展，期間由于對其理解和加工應(yīng)用方式的不同也被稱為“材料累加制造”“快速原型”“分層制造”“實(shí)體自出制造”“3D打印技術(shù)”等名稱各異的叫法，分別從不同側(cè)面表達(dá)了該制造技術(shù)的特點(diǎn)，其內(nèi)涵在不斷深化，外延也在不斷擴(kuò)展。

實(shí)驗(yàn)仿真環(huán)境為Intel(R) Core(TM) i5-3470 CPU @3.20GHz,內(nèi)存4.00 GB,操作系統(tǒng) Windows 7 旗艦版,仿真軟件Matlab2014a。

2.3 增材制造的分類

增材制造通常按照材料類別、材料形態(tài)和增材制造時材料的加熱方式等方式分類

，具體分類方式及類別見圖1增材制造材料的分類方式。

Some systematic reviews that compare laparoscopic colectomy (LAC) with open colectomy for elderly had reported benefits in short-term outcome.

3 增減材復(fù)合制造加工技術(shù)

3.1 增減材復(fù)合制造(HASM)研究的意義

以齒輪泵腔體為例，CB型齒輪泵由于泵體與泵蓋是硬性接觸,裝配要求其平直度不超過5μm，若泵體與泵蓋的平直度不好，泵旋轉(zhuǎn)時會吸入空氣；泵的密封不好，接觸面處會有漏油，也容易使空氣混入。由于泵體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，用增材制造技術(shù)較為方便，其制造過程如圖3增減材復(fù)合制造流程所示：

此外,不得不提的是,香港投融資中心由資產(chǎn)運(yùn)營向資本運(yùn)營和資產(chǎn)運(yùn)營相結(jié)合,是西王集團(tuán)轉(zhuǎn)型發(fā)展的重要組成部分。這種轉(zhuǎn)型，某種程度上說，與新生代的知識結(jié)構(gòu)、成長經(jīng)歷、個人喜好高度關(guān)聯(lián)。他們不愿再重復(fù)父輩的老路，在產(chǎn)業(yè)風(fēng)口之下，開始新的“玩法”，進(jìn)入新的市場。

根據(jù)上述增減材復(fù)合制造技術(shù)的原理，可以看出該技術(shù)與快速成型(RP)技術(shù)的思路相近，即“分層制造，逐層疊加”， 類似于數(shù)學(xué)上的積分過程，其中層切的厚度直接影響增材制造成品的精度，在圓弧面或過度面最為明顯，主要采用減材制造方法消除臺階效應(yīng)，提高精度，因此在增材制造過程中可采用增大噴頭容量和提高一次加工厚度等低分辨率的增材制造方法來提高加工速度，以此實(shí)現(xiàn)快速成型，檢驗(yàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)是否合理，功能是否理想，及時修改再設(shè)計(jì)，極大的提高了新產(chǎn)品的開發(fā)效率，降低了新產(chǎn)品從設(shè)計(jì)到成品的成本。

增減材復(fù)合制造技術(shù)是CAD產(chǎn)品圖形設(shè)計(jì)、建立產(chǎn)品模型、模型分層切片、沉積疊加快速成型等的加工過程，較為先進(jìn)的增減材復(fù)合制造是將增減材的加工階段復(fù)合交替進(jìn)行，以此提高加工效率和精度。該技術(shù)是一種先增加(增材)，后去除(減材)材料的過程，以“離散-堆積-控制”的成型原理為基礎(chǔ)，其加工的思路是：把要加工的三維零件看作是相應(yīng)數(shù)量二維平面輪廓沿某坐標(biāo)方向上的疊加，因此，依據(jù)計(jì)算機(jī)生成的產(chǎn)品三維設(shè)計(jì)模型，按一定的厚度分層切片，切分生成一系列平面幾何信息，即將零件的三維數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)換為一系列的二維或三維輪廓幾何信息，層面幾何信息融合沉積參數(shù)和機(jī)加工參數(shù)生成掃描路徑數(shù)控代碼，成型系統(tǒng)按照輪廓軌跡逐層掃描堆積材料和加工控制(對輪廓或表面進(jìn)行機(jī)加工)；最終成型三維實(shí)體零件。

4)單一機(jī)床代替了復(fù)雜的工藝鏈，節(jié)省車間空間的同時更加節(jié)能環(huán)保；

5)能加工增材制造難以成形的內(nèi)部精細(xì)結(jié)構(gòu)和垂懸結(jié)構(gòu)；

動物香薰室:香薰室(50 cm× 50 cm× 40 cm),有蓋,四周板材為不銹鋼鋼板,內(nèi)部劃分為4個20 cm × 20 cm × 20 cm的隔離室,可同時允許4只動物同時進(jìn)行實(shí)驗(yàn),其內(nèi)正中可置放用于盛放精油的圓形電香薰燈(8 cm × 8 cm × 3 cm),小箱側(cè)壁有孔,用于香氣流通,孔徑 4 mm,每個側(cè)面圓孔數(shù)為10×10個。

1) 相對增材、減材工藝部件有更高精度、表面質(zhì)量；

6)總投資較低，混合機(jī)床的價格低于整條工藝鏈所需的設(shè)備，且增減材工藝在混合機(jī)床中共享軟硬件平臺(引導(dǎo)系統(tǒng)，機(jī)床結(jié)構(gòu)，數(shù)字控制(CNC)系統(tǒng)，用戶界面)。

PHPAnalysis（PHP 分詞系統(tǒng)）是一種基于字符串的反向匹配分詞方法，采用類似哈希的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存儲詞庫。改進(jìn)后增加了正向、雙向和最短路徑的掃描策略。

3.2 增減材復(fù)合制造技術(shù)的原理

3)加工過程中工件無需移動，降低了移動帶來的定位誤差和碰撞事故；

2)材料利用率最高可達(dá)97%；

4 增減材復(fù)合制造技術(shù)工藝流程

增材制造技術(shù)相對于傳統(tǒng)的數(shù)控加工、壓力加工與鑄造等加工制造，有其獨(dú)特的優(yōu)勢，特別在復(fù)雜度較高的零件構(gòu)建上有著巨大的優(yōu)勢，但隨著人們對增材技術(shù)的深入認(rèn)識，增材技術(shù)工藝的缺點(diǎn)也逐漸浮現(xiàn)，如航空航天領(lǐng)域的精密部件對尺寸公差的要求十分嚴(yán)苛，單純依賴增材制造構(gòu)建的零件難以滿足其精度要求。此外，大規(guī)模生產(chǎn)情景下增材制造的生產(chǎn)效率低于減材制造。 增材技術(shù)利用高能能量源逐點(diǎn)逐層熔化和凝固材料，不可避免地會在相鄰層之間存在臺階效應(yīng)等負(fù)面影響，導(dǎo)致表面質(zhì)量、尺寸精度較低，因此，增材制造的零件表面精度達(dá)不到機(jī)加工的水平，如果將增材制造和減材制造的優(yōu)勢結(jié)合起來，既能發(fā)揮增材制造材料利用率高，再制造修復(fù)效率高，又能提高零件制造的效率，保證加工質(zhì)量和尺寸精度。增減材混合制造技術(shù)有自身優(yōu)勢，如圖2增減材復(fù)合制造的特點(diǎn)

。

首先對破損零件進(jìn)行測繪，制作CAD圖形，利用CAD圖形進(jìn)行三維建模

，利用數(shù)字樣機(jī)技術(shù)進(jìn)行模擬加工和裝配，修正尺寸，進(jìn)行增材制造，由于增材制造存在層切效應(yīng)，在泵體圓弧過渡面比較明顯，所以利用減材制造技術(shù)進(jìn)行精加工，另外，泵體和泵蓋的裝配面達(dá)不到裝配要求，需進(jìn)行精加工，裝配表面的精加工一般采用金剛砂研磨的方式進(jìn)行，以保證平直度良好，避免吸入空氣，防止漏油，達(dá)到裝配要求。

5 增減材復(fù)合制造(HASM)技術(shù)的發(fā)展方向和不足

增減材復(fù)合制造技術(shù)應(yīng)用了增材制造技術(shù)快速成型的優(yōu)勢，發(fā)揮了減材制造技術(shù)高精度加工的特點(diǎn)，即能高效制造出同一基體不同材料或不同材料基體的高精度、高質(zhì)量復(fù)雜形體零部件，提高了制造效率，降低了生產(chǎn)成本，減少了材料浪費(fèi)，提高了產(chǎn)品競爭力，特別有利于形狀復(fù)雜、個性化、小批量、多品種零件的生產(chǎn)，應(yīng)用價值高，前景廣泛。但該技術(shù)研究起步晚，涉及學(xué)科多、應(yīng)用技術(shù)廣，只有對相關(guān)學(xué)科、技術(shù)的深入研究，才能更好的發(fā)展增減材復(fù)合制造技術(shù)，筆者認(rèn)為，以下四點(diǎn)應(yīng)該是研究增減材復(fù)合制造技術(shù)努力的方向：

(1)專用軟件系統(tǒng)的開發(fā)

。現(xiàn)有的多數(shù)增減材復(fù)合制造系統(tǒng)軟件是基于快速成型技術(shù)軟件和傳統(tǒng)機(jī)械制造軟件基礎(chǔ)上的改進(jìn)和集成，更多的把增減材復(fù)合制造理解為簡單的“增材制造”加“減材制造”，未能實(shí)現(xiàn)合理的“復(fù)合”制造，沒有完全發(fā)揮出復(fù)合加工技術(shù)的優(yōu)勢。未來軟件的開發(fā)，應(yīng)充分挖掘增減材復(fù)合制造本身的特點(diǎn)，進(jìn)行系統(tǒng)性融合。

(2)增減材復(fù)合加工控制系統(tǒng)有待于優(yōu)化。在零件成形過程中，控制系統(tǒng)需要在沉積(增材)和減材加工功能中反復(fù)轉(zhuǎn)化，相應(yīng)的加工坐標(biāo)系同步變化，因此對于刀具和沉積的準(zhǔn)確定位和控制尤為重要，實(shí)時檢測反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)的引入能有效實(shí)現(xiàn)對刀具和沉積的準(zhǔn)確定位和控制，從而影響增減材復(fù)合制造的精準(zhǔn)性

。引入閉環(huán)控制系統(tǒng)，實(shí)時監(jiān)測加工過程中的各種誤差，并實(shí)時反饋給控制系統(tǒng)，及時調(diào)整優(yōu)化，即能加工出質(zhì)量更高、缺陷更少的零件。因此，多種測量傳感技術(shù)的發(fā)展很有必要。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。

(3)增減材復(fù)合制造工藝有待于進(jìn)一步集成優(yōu)化。

成型零件一般由不同材料制造而成，其特征、性質(zhì)各異，故沉積工藝、夾具等不同；同一零件不同部位采用不同的材料制造，需要考慮材料的融合性及相關(guān)的沉積工藝；不同材料所用增材制造速度、減材加工刀具的路徑、夾具或支撐結(jié)構(gòu)是否相匹配等都是需要考慮的問題。如果能將多種沉積工藝設(shè)備集成優(yōu)化，高效協(xié)調(diào)運(yùn)行，即能實(shí)現(xiàn)增減材復(fù)合加工工序的進(jìn)一步優(yōu)化，提高效率，保證質(zhì)量。

③ 配電電纜。光伏發(fā)電面板與控制器、蓄電器之間電纜配置應(yīng)當(dāng)直線連接，并且采用XLPE絕緣、PCV屏蔽的銅芯線，電壓損耗要小于1%，需要具備防水、防火能力[6]。

(4)現(xiàn)場加工技術(shù)的研發(fā)。飛機(jī)、船舶、風(fēng)電機(jī)組等設(shè)備大型零部件的現(xiàn)場增材制造及再制造工藝便于實(shí)現(xiàn)，但增材后的減材制造難以實(shí)現(xiàn)，影響了增減材復(fù)合制造技術(shù)在大型設(shè)備的應(yīng)用，有針對性的研究能夠拓寬增減材復(fù)合制造技術(shù)的應(yīng)用。

6 總結(jié)

基于增材制造和減材制造的增減材復(fù)合制造技術(shù)彌補(bǔ)了增材制造尺寸精度低、表面質(zhì)量差等缺點(diǎn)，不但具有增材制造的制造復(fù)雜零件、快速成型及材料利用率高等優(yōu)點(diǎn)，而且兼顧了減材加工高質(zhì)量與高精度的優(yōu)點(diǎn)。依靠增材制造實(shí)現(xiàn)材料層積成形，利用減材技術(shù)提高表面質(zhì)量、改善應(yīng)力狀態(tài)，通過兩種技術(shù)的結(jié)合而制造出所需零件。實(shí)現(xiàn)了零件“數(shù)字建模--快速成型--精加工”的加工過程，為制造業(yè)增添了新的血液，把很多不可能變成了可能，符合高效、快速、節(jié)能、環(huán)保，有效的降低了成本，減少了浪費(fèi)，利用了資源，有效應(yīng)用了計(jì)算機(jī)技術(shù)和相關(guān)精準(zhǔn)測量軟件，為制造業(yè)提供了新動能。

[1]李文揚(yáng). 增材制造技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的發(fā)展及前景分析.[J]現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)信息 2020(06).

[2]周偉民,夏張文.增材再制造產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀與發(fā)展.自動化儀表,2021.2第42卷第2期.

[3]李永超.增減材復(fù)合制造技術(shù)的研究現(xiàn)狀與關(guān)鍵技術(shù).冶金管理,2021年05期.

[4]朱勝,周超極,周克兵.綠色增材再制造.中國機(jī)械工程2018.11第29卷第21期.

[5]高孟秋,趙宇輝,趙吉賓,王志國,何振豐.增減材復(fù)合制造技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展.真空，2019年06期.