复合增材制造技术研究进展

复合增材制造技术研究进展杨智帆1袁张永康1袁2渊1.广东工业大学机电工程学院袁广东广州510006曰2.广东镭奔激光科技有限公司袁广东佛山528225冤摘要院在阐述了复合增材制造技术的含义及关键技术特征的基础上袁对基于机加工的复合增材制造尧基于激光辅助的复合增材制造尧基于喷丸的复合增材制造尧基于轧制的复合增材制造四种复合增材制造技术的特点与优势进行了总结袁并介绍了一种全新的激光锻造复合增材制造技术袁其可与多种增材制造复合并能有效细化晶粒尧消除缺陷和重构应力分布袁最后指出了复合增材制造技术在耦合机理尧参数优化及装备研制方面的发展趋势遥关键词院复合增材制造曰耦合工艺曰激光锻造中图分类号院TG669文献标志码院A 文章编号院1009原279X渊2019冤02原0001-07Research and Development of Hybrid Additive Manufacturing TechnologyYANG Zhifan 1袁ZHANG Yongkang 1袁2渊1.School of Electro-mechanical Engineering袁Guangdong University of Technology袁Guangzhou 510006袁China曰2.Guangdong Leiben Laser Technology Co.,Ltd.袁Foshan 528225袁China 冤Abstract 院Based on expounding the technical meaning and key features of hybrid additive manufacturing (hybrid -AM)袁the features and advantages of hybrid -AM by machining袁by laserprocessing袁by shot-peering and by rolling are summarized and analyzed.Then袁a new technology named hybrid -AM by laser forging is introduced袁which can be coupled with other AM processes and effectively refine grains袁eliminate defects and reconstruct stress distribution.Finally袁the development trend of hybrid-AM technology in coupling mechanism袁optimization of multi-processes parameters and equipment manufacturing is discussed.Key words 院hybrid additive manufacturing曰coupled processes曰laser forging收稿日期院2018-12-10基金项目院国家重点研发计划渊2017YFB1103600冤曰国家自然科学基金资助项目渊51775117冤第一作者简介院杨智帆袁男袁1993年生袁硕士研究生遥与传统去除成形方法相比袁增材制造是一种基于材料增量制造理念的技术[1]袁是一种利用CAD 模型以材料连接方式完成物体制作的过程[2]袁与减材制造相比袁增材制造通常是逐层累加进行的遥增材制造具备柔性尧快速和绿色制造等技术优势袁在航空航天尧国防工业和生物医疗方面具有重要应用前景[3-4]遥然而袁增材制造技术存在零件成形精度低尧力学性能不足等问题[5]遥针对上述技术瓶颈袁现已出现了若干种既保持增材制造技术优点又能吸收传统技术优势的复合增材制造新技术袁为解决瓶颈难题提供了新路径遥本文重点介绍复合增材制造技术的研究进展袁并根据辅助工艺的不同将复合增材制造技术分成五种不同类别袁分别进行了总结与分析袁并对复合增材制造技术的发展方向进行了展望遥1复合增材制造技术含义野复合冶一词广泛应用于制造领域袁国际生产工程科学院渊CIRP冤将野复合制造冶定义为野一种基于若干种工艺/工具/能量源同步工作尧相互作用可控且对工艺/零件性能有显著影响的技术冶[6]遥一般地袁复合增材制造以增材制造为主体工艺袁在零件制造过程中采用一种或多种辅助工艺与增材制造工艺耦合协同工作袁使工艺尧零件性能得以改进遥复合增材制造虽涉及多种工艺尧能量源袁但并不能严格达到1要要野同步工作冶袁更多地是组成循环交替的野协同工作冶遥以基于机加工的复合增材制造技术为例袁通常是完成若干层制造后袁再进行机加工袁循环交替直至完成零件制造遥当然袁部分复合增材制造技术也已达到野同步工作冶的要求袁比如华中科技大学张海鸥团队[5]尧广东工业大学张永康团队[7]各提出的复合增材制造技术的主体工艺与辅助工艺均可同步工作直至完成零件制造遥复合增材制造技术包括多工艺耦合尧协同制造尧工艺与零件性能改进三个关键技术特征袁由于涉及两种及以上工艺袁这些工艺须同步或协同工作袁并要求辅助工艺进程不能与增材制造工艺进程完全分离遥生产中袁常采用热等静压或磨粒流加工等后处理工艺袁虽可通过使内部致密化或降低表面粗糙度来提升零件性能袁但都无法与增材制造工艺构成复合增材制造技术袁这是因为从野多工艺耦合冶角度出发袁进程完全分离且只是简单的工艺叠加袁尚不属于野协同制造冶关系袁只可构成前后加工顺序关系遥2复合增材制造技术分类2.1基于机加工的复合增材制造技术基于机加工的复合增材制造技术又称为增减材制造袁其涉及增材制造与材料去除工艺的耦合袁该技术在20世纪90年代早期发展于焊接领域[8-10]袁现今主流工艺包括以直接金属沉积渊direct metal deposition袁DMD冤和选区激光熔化渊selective laser melting袁SLM冤为代表的激光增材制造工艺袁是研究工作开展最多的一种复合增材制造技术[9-31]遥在这类耦合工艺的制造过程中袁增材制造工艺每完成若干层制造后袁辅助工艺对零件表面或侧面进行机加工袁循环交替直至完成零件制造遥如此袁增材制造工艺完成零件逐层制造袁辅助工艺保证零件尺寸精度袁可共同完成具有复杂形状和内部特征且成形精度高的零件[31]袁该技术制造成形的零件见图1遥该类技术中最常用的机加工工艺是铣削[14-18]袁示意图见图2遥铣削的目的包括提高零件侧面和上表面的表面光洁度尧减少成形零件的野阶梯效应冶袁同时可为后续材料沉积提供光洁尧平整的表面袁保证以恒定层厚进行逐层制造袁提高Z轴成形精度遥Karunakaran等[14-15]研究表明袁在以电弧增材制造为主体工艺的情况下袁铣削去除焊缝表面氧化层有助于后续沉积形成更稳定的电弧和形状更一致的焊道遥与普通增材制造相比袁基于机加工的复合增材制造技术可有效提高零件成形精度袁但与零件最终尺寸精度要求仍存在一定差距袁仍需精加工处理袁且在复合制造过程中袁增材制造与机加工两种工艺需要频繁切换工序袁这无疑增加了零件生产周期与制造成本遥此外袁成形零件需要通过后续的热处理尧热等静压等工艺来消除内应力及提高致密度袁但在热处理过程中应力的重新分布会产生二次变形袁使机加工获得的尺寸精度损失殆尽袁这是该类复合增材制造技术实现工程化应用亟待解决的难题之一遥目前袁随着传感器和计算机视觉技术的进步袁利用视觉传感器结合图像处理算法实现对工艺过程的闭环反馈控制袁将有利于进一步提高基于机加工复合增材制造技术的零件成形精度与效率袁实现刀具路径规划的自动调整遥2.2基于激光辅助的复合增材制造技术基于激光辅助的复合增材制造技术涉及使用激光束对沉积材料进行辅助加工袁具体辅助工艺包括激光烧蚀渊laser erosion袁LE冤尧激光重熔渊laser remelting袁LR冤以及激光辅助等离子弧沉积渊laser-assisted plasma deposition袁LAPD冤等遥如图3所示袁激光烧蚀与机加工的效果类似袁通过去除材料获得平整的沉积层表面遥Yasa等[32-33]将SLM工艺与基于Nd:YAG脉冲激光器渊姿=1094nm冤的选择性激光烧蚀渊selective laser erosion袁SLE冤工艺耦合袁通过选择性修整表面控制沉积层厚度袁提高Z轴成形精度的同时袁表面粗糙度值可降低50%遥图1基于机加工的复合增材制造成形零件渊b冤侧面铣削图2基于铣削加工的复合增材制造技术渊a冤表面铣削铣削表面直接金属沉积铣削表面直接金属沉积2要要基于激光重熔的复合增材制造技术是利用激光作为热源使沉积材料再次熔化并凝固袁从而填充沉积层存在的孔隙以提高零件致密度[34]遥与激光烧蚀工艺使用的高能激光相比袁激光重熔通常使用较低的激光能量以防止材料蒸发遥Yasa 等[35]又将SLM 工艺与激光重熔工艺耦合袁研究了耦合工艺对零件致密度尧微观结构和表面粗糙度的影响袁结果表明耦合工艺制造零件较普通SLM 制造零件表面粗糙度有所提高袁孔隙率均值从0.77%降至0.032%袁微观下为晶粒细化的层状结构[35]袁见图4遥与激光烧蚀尧激光重熔工艺相比袁激光辅助等离子弧沉积中的激光束并不直接作用于材料袁而是为等离子弧沉积提供更多的热能遥Qian 等[36]指出袁等离子弧沉积中使用的保护气体吸收了激光能量并发生电离袁进一步提高了等离子弧能量密度并减小弧直径袁在更集中尧能量密度更高的等离子弧加热下产生更深的熔池袁进而细化零件晶粒袁使孔隙率得以降低遥基于激光辅助的复合增材制造技术灵活性高袁激光作为能量光束袁在制造过程中可提高零件成形精度尧细化晶粒尧降低孔隙率袁但其循环移动使零件经历更复杂的热历史袁陡峭的温度梯度使零件产生不均匀塑性变形袁从而在零件内产生残余应力袁降低材料疲劳性能遥该复合制造技术涉及众多工艺参数袁需要建立多目标优化的数学模型袁从而优化零件残余应力分布袁提高零件性能遥2.3基于喷丸的复合增材制造技术将喷丸与增材制造相耦合的复合增材制造技术是一个未被广泛和深入探索研究的领域袁目前仅有部分相关专利及研究文献[7袁37-45]遥喷丸是一种通过在工件表面植入一定深度的残余压应力而提高材料疲劳强度的表面强化工艺袁主要分为激光喷丸尧超声喷丸与机械喷丸袁示意图见图5遥将喷丸工艺与增材制造耦合是一种能够控形控性的复合增材制造技术袁在航空航天尧国防工业和生物医疗等方面具有重要应用前景遥Kalentics 等[43]将SLM 工艺与激光喷丸耦合袁研究了耦合工艺制造316L 不锈钢零件的残余应力分布规律袁设定参数后利用钻孔法测量了零件深度方向上的残余应力分布袁最终与SLM 制造试样尧激光喷丸试样的残余应力分布对比袁结果见图6遥可看出袁基于激光喷丸的复合增材制造技术能够通过植入更深尧更高幅值的残余应力来提高材料性能曰另激光烧蚀选区激光熔化渊a冤激光烧蚀激光重熔选区激光熔化渊b冤激光重熔激光辅助等离子弧沉积渊c冤激光辅助等离子弧沉积图3基于激光辅助的复合增材制造技术渊b冤基于激光重熔复合增材制造工艺图4不同工艺下成形零件微观组织200滋m渊a冤选区激光熔化工艺200滋m渊c冤机械喷丸图5基于喷丸的复合增材制造技术激光喷丸选区激光熔化渊a冤激光喷丸选区激光熔化超声喷丸渊b冤超声喷丸机械喷丸选区激光熔化3要要图7基于轧制的复合增材制造示技术轧辊直接金属沉积外袁从实验结果可推测出后续沉积带来的热载荷并未完全释放掉残余压应力袁这可能是由于SLM 工艺较DMD 工艺热影响区域更小袁而在DMD 工艺中是否会释放更多残余压应力则有待探索遥较其他复合增材制造技术而言袁基于超声喷丸的复合增材制造技术是一种低成本尧快速提高零件性能的方法袁可与多种增材制造工艺相结合遥Achutan 等[44]将SLM 工艺与超声喷丸耦合袁研究了耦合工艺对镍基合金和不锈钢零件性能的影响袁结果表明该耦合工艺制造的零件较普通SLM 工艺屈服强度提高袁且微观组织得到了细化遥机械喷丸作为应用最成熟而广泛的喷丸强化技术袁在与增材制造组成耦合工艺时却存在一些挑战遥例如袁机械喷丸的丸粒直径较增材制造粉末颗粒大数个数量级袁需要额外的工序进行清除袁以避免材料污染遥对此袁Sangid 等[45]提出野细粒喷丸渊fine particle shot peening袁FPSP冤冶概念袁使用增材制造材料粉末AlSi10Mg 作为喷丸介质袁避免了材料污染问题袁但因喷丸介质强度和硬度不够而使撞击产生较小的冲击压力袁形成的残余压应力被后续释放遥工艺制造中袁由于完成若干层沉积后再进行喷丸强化袁其塑性变形小袁难以消除沉积层内部的气孔尧缩松尧微裂纹等内缺陷遥事实上袁基于喷丸的复合增材制造技术尚处于早期研究袁其工艺机理还需继续深入探索研究遥2.4基于轧制的复合增材制造技术在增材制造过程中袁熔池形状和体积的不稳定以及热源反复加热造成的复杂热历史袁使零件存在成形精度不足和热应力残余的问题袁而基于轧制的复合增材制造技术可有效解决这些问题遥如图7所示袁这种方法不仅能够提高零件力学性能袁还可在不去除材料的前提下保证成形零件的尺寸精度遥Colegrove 等[46-49]将丝材电弧增材制造渊wire arcadditive manufacturing袁WAAM冤工艺与轧制工艺耦合袁制造一层尧轧制一层袁循环交替直至完成零件制造遥研究结果显示袁相较于WAAM 工艺袁这种耦合工艺成形零件变形减小尧拉应力减少尧晶粒细化且力学性能提高袁极限强度尧硬度和延伸率均高于同等铸造件遥张海鸥等[50-54]提出了熔积-轧制耦合工艺袁在半熔融区利用微型轧辊对高温沉积层进行压缩加工袁可减少成形零件表面的阶梯效应袁提高成形零件尺寸精度袁见图8遥这种方法可减少后续加工余量袁且由于熔积与轧制工艺同步进行袁有效提高制造效率袁同时该工艺制造的零件拉伸强度可提高33%遥然而袁面对复杂形状零件制造时袁基于轧制的复合增材制造工艺无法压缩处理零件局部特征遥因此袁提高轧辊的柔性处理能力显得尤为重要遥2.5激光锻造复合增材制造技术激光锻造复合增材制造技术[7]是张永康团队在长期研究激光喷丸的基础上提出的新方法袁其实质是两束不同功能的激光束同时且相互协同制造金属零件的过程遥如图9所示袁第一束连续激光进行增材制造袁与此同时第二束短脉冲激光渊脉冲能量10~20J尧脉冲宽度10~20ns冤直接作用在高温金属沉积层表面袁金属表层吸收激光束能量后气化电离形成冲击波袁利用脉冲激光诱导的补充冲击波渊峰值压力为GPa 量级冤对易塑性变形的中高温度区进行野锻造冶袁增材制造工艺与激光锻造工艺同步进行袁直至完成零件制造遥激光锻造使沉积层发生塑性形变袁消除了沉积层的气孔和热应力袁提高了金属零件的内部质量和力学性能袁并有效控制宏观变形与开裂问题遥该复合增材制造技术中的辅助工艺激光锻造虽然源于激光喷丸袁但是有重大区别遥第一袁冲击波激发介质不同院激光喷丸一般需要吸收保护层和约束层袁吸收保护层表层吸收激光能量后气化电离形成冲击波袁气化层深度不足1滋m曰激光锻造无需吸图6不同工艺下零件残余应力分布对比残余应力表面处理压应力拉应力SPLSP3D LSPSLM 图8不同工艺下零件高度方向成形误差对比0.00.40.81.21.62.02.42.8024681012141618沉积层数量平轧无平轧4要要收保护层和约束层袁激光束直接辐照中高温沉积层袁金属吸收激光能量气化电离形成冲击波袁由于增材制造是逐层累积进行的袁每一层不足1滋m 的气化层厚度对零件的尺寸和形状没有影响遥第二袁作用对象不同院激光喷丸一般是对常温零件的强化处理曰激光锻造是对中高温金属的冲击锻打遥第三袁主要功能不同院激光喷丸主要功能是改变残余应力状态袁其次是改变微观组织袁难以改变材料原有的内部缺陷曰激光锻造主要功能是在中高温下消除金属沉积层内部的气孔尧微裂纹等缺陷袁提高致密度与机械力学性能袁其次是改变残余应力状态遥由于激光锻造的灵活性和可控性袁其可以与多种增材制造复合并能有效细化晶粒尧消除缺陷和重构应力分布袁为解决高性能金属增材制造的野热应力与变形开裂冶与野内部质量与力学性能冶的共性基础难题提供新的途径袁富有创造性尧新颖性和工业实用性袁已申请国内与国际发明专利保护遥3结束语复合增材制造技术理念先进尧技术可行袁并表现出成形精度高尧性能提高大等技术优势袁逐渐得到了国内外学者的广泛关注遥本文阐述了复合增材制造技术含义及其关键技术特征袁对各种复合增材制造技术进行了工艺分析和技术总结遥为了促进复合增材制造工艺理论研究和工程推广应用袁今后工作应在以下方面寻求进一步突破院渊1冤复合增材制造技术涉及多工艺耦合协同工作袁制造过程中主体工艺与辅助工艺相互约束且工艺参数众多遥对工艺耦合机理进行深入探索袁并建立数学模型进行多工艺参数优化是复合增材制造技术研究亟待解决的主要问题遥渊2冤复合增材制造装备需要多套工艺装备配合完成制造遥但目前复合增材制造装备存在自动化程度低尧缺乏针对性工业控制软件等问题袁且制造过程中缺乏传感器进行工艺参数的监控遥提高装备硬件和软件的自动化水平袁应用传感器实时收集数据以建立闭环反馈控制系统是复合增材制造装备的重要发展方向遥参考文献院[1]GU D D袁MEINERS W袁WISSENBACH K袁et seradditive manufacturing of metallic components院materials袁processes and mechanisms [J].International materials reviews袁2012袁57渊3冤院133-164.[2]卢秉恒袁李涤尘.增材制造(3D 打印)技术发展[J].机械制造与自动化袁2013袁42渊4冤院1-4.[3]王华明.高性能大型金属构件激光增材制造:若干材料基础问题[J].航空学报袁2014袁35渊10冤院2690-2698.[4]ZHANG 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