增減材復合制造技術(HASM)是結合傳統數控技術(CNC)與增材制造技術(AM)發展起來的一種具有廣泛的應用前景的技術，在構建具有幾何和材料復雜性的零件領域發揮著特別顯著的作用，一方面規避了AM技術因精度和表面質量不理想需要離散化處理以及熱處理等過程導致尺寸偏差、臺階效應等不良影響;另一方面能夠充分發揮CNC技術高精度和高表面質量的優勢。因此，探究HASM技術是當下國內外研究者關注的熱點之一。

　　一、增減材復合制造(HASM)技術的原理及優勢

　　HASM技術本質上是對材料添加和去除的一種新型復合制造技術，面向產品設計、軟件開發、加工控制。換言之，其在結合AM技術和CNC技術優勢的基礎上實現對這兩種技術的發展與再創新。20世紀末期，美國出現了一種制造新技術AM，又稱三維打印或快速成型。它以數字化模型為根基，利用可粘合的材料，如粉體金屬和塑料等，將物體的三維模型切割為多層薄片，再通過數字化手段逐層加工，從而實現二維到三維的堆疊成型。其非常適合用來制作幾何形狀復雜的零件。但這一技術總會在離散化處理時的數據格式和分層方法以及熱處理等因素導致其精度和表面質量與先前預設有所誤差。而傳統CNC技術精度高、質量好，可有效彌補AM技術的缺憾。圖1HASM技術消除臺階效應示意圖Fig.1SchematicdiagramofHASMtechnologytoeliminatestepeffect將兩種技術結合并各取所長的HASM技術，運行步驟分以下三步：一是建立三維CAD模型，用于生產零件;二是將模型按照設定好的厚度導入數據處理軟件進行分層切片，以實現目標的降維處理：三維實體信息轉為二維輪廓信息;三將降維后的機加工參數和沉積參數融入掃描路徑代碼，隨后，參數加工系統會逐層地完成材料堆積及對材料輪廓或表面的加工控制工作，即軟件控制的逐層堆積和數控加工過程，最終形成三維實體。概括而言，HASM的原理主要是“離散—堆積—控制”。如圖1所示，HASM技術能夠消除臺階效應的直接原因是引入了CNC技術，進一步提高精度，所以在AM加工階段通過增大噴頭直徑或者分層厚度可以有效提高低分辨率的堆積，進一步提升加工工作效率，一定程度上降低生產成本。基于CNC技術和AM技術的HASM技術特點如圖2所示，具有以下的優勢：第一，AM技術可以直接打印所需形狀，減少了CNC技術過程中需要耗費的成本和工具磨損;第二，通過HASM工藝不僅可以加工一些單一制造技術生產不了的具有特殊內部結構的產品;第三，AM技術和CNC技術的有效結合可以提高生產產品的表面質量，進而也可以提升生產產品的精度和準度。圖2HASM技術的特點Fig.2FeaturesofHASMtechnology

　　二、增減材復合制造(HASM)技術的研究現狀

　　國內外目前關于增減材復合制造技術的相關研究有一定的突出成果，綜述如下：

　　(一)美國

　　20世紀90年代中期，美國斯坦福大學Fessler等學者提出了形狀沉積制造(ShapeDepositionManufacturing,SDM)技術，這一技術已經將AM和CNC技術相結合。SDM技術可將鈦合金、銅合金、和不銹鋼等材料復合加工，并且成型精度極高。這一技術以CNC技術為主，先利用CNC技術將每一層的堆積材料逐步加工到零件外形，再進行下一層的成型，如此返復，等全部成型完畢后再去除原本的支撐材料美國卡內基梅隆大學Merz等學者將蠟按照模型的幾何尺寸進行加工處理，并將其作為一種支撐材料，引入SDM。在此基礎上，對下一層的成型材料的進行加工，但是該過程中所成型的產品表面粗糙，需要主軸刀具進一步的修整加工;上述過程全部結束后方可去支撐材料。

　　(二)德國

　　2001年，與美國相差不到十年，德國弗朗和夫生產技術研究所Freyer等學者為消除臺階效應，以實現材料沉積與機加工在同一個過程，就提出了控制金屬堆積(ControlledMetalBuild-up,CMB)技術。CMB的主要原理是“沉積—銑削—沉積”。第一步，AM過程以可焊接金屬作為成型材料，采用同軸送絲激光熔覆法，為防止每一層沉積的過程的氧化都采用氣體保護的方法，對已經沉積的零件用刀具進行平面和仿形銑削，雖然會存有內部缺陷，但依舊會使其成型精度保持在較高水準。CMB系統在制造模具方面很有成就，該技術能夠制造致密度高達100%的不銹鋼零件，而且其制造的零件成型尺寸可達600mm×600mm×600mm，精度達0.02mm，亦Fig.4SchematicdiagramofCMBtechnologyproヽessingprocess基于上述激光熔覆法，德國DMGMoriSeiki公司采用五軸CNC技術推出了LASERTEC653D復合加工機床，此機床可以實現鈦合金、鋁合金、鎳基合金及不銹鋼等不同材料的復合加工。德國HamuelReichenbacher公司為將高速銑削、能量熔融和檢測、拋光等輔助工藝相結合，推出了HYBRIDHSTM1500機床，以實現高價值部件修復。以上這些已經算是市面上較為成熟的增減材復合制造裝備。

　　(三)英國

　　英國巴斯大學的研究人員對HASM技術也有深刻的認知，他們通過現有的技術成果預想其未來發展前景，該技術可以有效解決AM過程中出現的各種問題，例如：幾何和尺寸精度不高等，也可以使內部結構復雜的零件擺脫傳統工藝加工的限制。

　　(四)日本

　　日本Mazak公司以五軸多功能加工中心為平臺集成了兩個激光熔融頭，推出了INTEGREXi-400AM多功能機床，此機床不僅可以進行高速熔融，還可以實現高精度熔融，當然也可以對增材制造的部件進行車統與激光標刻。除此之外，Sodick公司生產的OPM250L機床有效優化CNC技術，使得其顯著提高表面質量并實現深槽的制造，而且，此機床可以通過調整工藝參數來優化零件的致密度。

　　(五)印度

　　印度理工學院Akula和Karunakaran等學者利用三軸機床促進了氣體保護焊技術和CNC技術有效結合，使該機床生產的零件表面質量大幅提升。

　　(六)中國

　　國內目前關于增減材復合制造的相關研究相較于國外較少。大連理工大學有關學者發現使用SodickOPM250設備，可大幅度降低馬氏體時效鋼制件表面的粗糙度。他們發現此設備可以將選擇性激光熔化和CNC工藝進行整合。除大連理工大學的學者外，還有一些學者也通過結合選擇性激光熔覆法和CNC技術，并展開了關于金屬零件直接快速成型、修復和改性等方面的研究。華中科技大學張海鷗與武漢科技大學熊新紅等學者提出了有效控制AM過程中臺階效應的方法，即實現等離子沉積和CNC技術銜接，此法可將尺寸誤差控制在±0.05%以內。北京理工大學的研究人員為去除AM零件表面的缺陷，以提高表面質量，實現了脈沖激光與CNC工藝復合。綜上所述，HASM技術的研究雖然剛剛起步，但還需要相關學者的深入地研究，將其挖深、挖透。尤其是整個技術加工過程中的路徑規劃、成型機理以及工藝轉換等問題。隨著研究的深入，逐步克服AM技術的缺憾、提升CNC技術的精度和準度，進而實現HASM技術的高質量、可持續發展。

　　三、增減材復合制造(HASM)技術的關鍵問題

　　(一)底板支撐結構有待改進

　　在增減材復合制造的過程中，完備的零件與平臺穩定性的構建都離不開合適、穩固的底板支撐結構，是因為某些零件不僅具有復雜的結構，還會對其成型材料有特殊要求。尤其是在增材制造與減材制造二者交替加工的過程中，更需要準確無誤的零件定位，并且底板支撐結構能夠承受刀具在接觸零件表面時所產生的切削力。因此，我們在增減材復合制造的過程中，就要根據不同的材料需求、零件結構和加工方式來實現底板支撐結構的實時優化。

　　(二)增材與減材復合加工工序有待優化

　　在增減材復合制造過程中，不論是支撐結構還是加工前的預先模擬，都需要結合多方面綜合考慮，包括支撐結構是否能與增材制造和減材加工等工序相匹配、結構的強度如何、減材加工刀具的路徑多少合適、激光熔覆噴嘴的軌跡如何、制造可行性的大小以及機床運動的平臺自由度等等，并做出最優的選擇，從而實現增材與減材復合加工工序的進一步優化。

　　(三)實時在線檢測反饋等技術手段有待更新

　　實時在線檢測反饋對增材與減材復合加工系統的影響不容忽視。在增減材復合制造過程中，若能夠實時監測此過程，將過程中可能呈現的各種狀況、問題等及時反饋給計算機的控制系統，那計算機中控系統也會做出及時的調整與優化。因此，在此過程中制造的零件質量更高，所造成的缺陷更少。因此，發展多種測量傳感技術以及計算機輔助在線檢測技術很有必要。為此，有效使用工業機器人可以提高工作效率，降低成產成本。工業機器人涉及機械、控制、計算機等多門學科，可以將多種先進技術結合。

　　(四)閉環智能化的軟件系統有待完善

　　增減材復合制造的軟件系統愈完備愈會將各種參數實時反饋給計算機，包括加工過程中的工藝參數，計算機將原本不完善的參數加以優化從而指導后序的加工過程。計算機可以利用相應的編程語言，發布簡單語令，實現信息交互，通過不同的組合來控制相應程序的運行。不同的指令可以配合完成多項工作，而且還會對相應的反應進行記錄，如加工過程、成型結構等。這個過程是由計算機軟件智能控制的、一個循序漸進的閉環過程，這種發展態勢將是未來的發展趨勢。總而言之，HASM技術雖然在CNC技術和AM技術基礎上發揮了優勢，能夠提升不同材料的復雜形狀加工效率，確保較高的精度和表面質量，利于生產。但是，該技術研究仍在發展初期階段，尚未純熟，研究者們仍然需要重點關注以上關鍵問題，拓展HASM技術的應用領域，更好的服務于社會生產。

　　參考文獻:

　　[1]高孟秋,趙宇輝,趙吉賓,等.增減材復合制造技術研究現狀與發展[J].真空,2019,290(6):76-82.

　　《增減材復合制造技術的研究現狀與關鍵問題》來源：《冶金管理》，作者：李永超