基于增減材制造的復合加工技術解析(4)
２．６超聲波增材制造（ＵＡＭ）
超聲波增材制造（Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃａｄｄｉｔｉｖｅｍａｎｕｆａｃｔｕｒ－ｉｎｇＵＡＭ）技術是超聲波焊接和數控加工結合的一種固態復合加工技術，材料為金屬箔片。其基本原理是利用超聲波的振動能量使兩個需焊接的表面摩擦，形成分子間融合的一種固態焊接。在疊加完一層或幾層后，利用ＣＮＣ技術去除多余材料，獲得理想的幾何尺寸和精度；然后進行另一層的疊加，如此循環直至獲得完整零件，如圖１４所示。ＵＡＭ技術優勢：無飛濺和氧化等現象；成型材料廣泛，包括銅、銀、鋁、鎳 等有色金屬；可以形成不同材料的結合，成梯度功能；可以集成功能性組件和特殊結構。圖１５為嵌入光纖的ＵＡＭ成型件。
Ｓｔｕｃｋｅｒ等人創新性的采用一種基于晶體塑性 有限元模型（ＤＤＣＰ－ＦＥＭ）框架的位錯密度技術研究了ＵＡＭ成型中Ａｌ３００３□Ｈ－１８亞晶粒的形成機理，并給出了準確預測。Ｊａｍｅｓ等人進行了ＵＡＭ成型中粘滑運動動力學分析研究。現在ＵＡＭ技術已經進入了商業化階段，德國的Ｆａｂｒｉｓｏｎｉｃ公司于2013年12月推出了兩組新的超聲波３Ｄ打印機，ＵＡＭＳｏｎｉｃｌａｙｅｒ ４０００和７２００。
２．７其他研究情況
武漢理工大學熊新鴻團隊融合材料添加和去除方法研究了ＨＰＤＭ技術，該技術和ＣＭＢ技術原理基本相同，不同的是該系統增材制造部分采用的是基于粉末的微束等離子快速成形技術，相比于ＡｒｃＨＬＭ，ＨＰＤＭ技術，其采用等離子成形技術，熱輸入量高、光斑半徑更小、能量集中，因而沉積速度更快。離子束質量十分穩定，因而自動化程度更高，而且噪聲小，但成本比ＡｒｃＨＬＭ高，而且由于采用粉末，形成熔池，因而成形更不好控制。相比于ＣＭＢ等采用激光和電子束成形的技術，ＨＰＤＭ技術成本低，掃描路徑容易控制，但光斑較大，成型精度較低，成形結構不精細。 ＭｏｈａｍｍａｄＰｅｒｖｅｚＭｕｇｈａｌ等人研究了基于堆焊的復合成型技術中，銑削對材料性能的影響。他們利用基于堆焊的復合成型技術制備了兩種試樣，一種試樣在成型過程中每沉積掃描一層后，進行平面銑削；另一種試樣則沒有銑削過程。
通過對比兩種試樣的微觀組織結構、硬度分布檢測以及拉伸試驗情況，分析銑削過程對成型材料性能的影響和作用，并得出結論：銑削加工對成型零件的微觀組織形態及分布和硬度分布有較大影響，而對屈服強度基本沒有影響。 韓國首爾大學ＺｈｕＨｕ和ＫｕｎｗｏｏＬｅｅ等人對增減材復合制造的軟件系統進行了大量的研究。他們首先提出了一種新的確定加工方向的算法，該算法綜合考慮制造過程中的沉積特征和銑削特征，并進 行優化來確定加工方向。在確定加工方向后，又研究了一種基于凹邊識別的分層算法，該方法綜合考慮了刀具的可加工性、最大分層厚度、最小分層數量等因素，實驗證明該方法分層數量更少，具有廣闊的應用前景。
日本松浦機械制作所推出商業化ＬＵＭＥＸＡ－ｖａｎｃｅ－２５復合光造型機，具體是用激光燒結和銑削工藝結合的方式（ＳＬＭ燒結＋銑削），實現高精度的成型效果。他們主要利用金屬光造型復合加工進行零件快速成型，實現激光燒結、切削加工、深加強筋加工、多孔造型以及三維冷卻水路，具有３Ｄ網狀、縮短時間、降低成本、３Ｄ自由曲面及一體化結構等優勢。復合光造型機能反復進行金屬光造型和采用立銑刀的高速、高精度切削加工，實現了與加工中心相當的尺寸精度和表面粗糙度。
3 基于增減材的復合加工技術發展方向
由于融合了增材制造和減材制造技術優勢， 基于增減材的復合加工技術能快速制備出不同材料的高精度、高質量的復雜形狀零件，縮短制造周期，節省材料，降低成本，增強產品競爭優勢，特別有利于復雜形狀、多品種、小批量零件的生產，具有廣闊的應用前景。 但由于基于增減材的復合加工技術研究剛剛起步，并牽涉到較為寬廣的技術學科，只有在相關學科技術得到全面的研究后才能對該技術形成支撐，具體來說以下幾個方面是將來需要繼續努力的方向。
（１）軟件系統的研發。目前，所有的復合加工系統軟件，都是在快速成型技術軟件的基礎上所進行的改進和集成，其基本過程和快速成型軟件基本相同，但這并不能夠完全發揮出復合加工技術的優勢。未來軟件的開發，應該基于復合加工技術的特點本身，從模型設計、離散化分層處理、路徑生成及控制直到加工完成整個過程進行系統性融合。
（２）控制系統的研發。由于在零件成形過程中，要在沉積和機加工功能中不斷轉化，其加工坐標系也在不斷的變化，因此對于刀具和沉積的準確定位和控制尤為重要。而現在幾乎所有的基于增減材的復合加工系統，幾乎沒有反饋控制，因此如何實現對加工過程的實時檢測和反饋，形成閉環控制，需要進一步研究。
（３）成型尺寸的擴展。上述介紹的基于增減材的復合加工技術主要應用于模具、功能結構件、嵌入式結構件等結構尺寸較小的成型件中，尚不能成型大型結構件。
（４）工藝集成性。由于成型的零件具有不同的特征性質，因此所采用的沉積工藝和材料也就不同。如何將多種沉積工藝設備集成在一起，并保證運行的協調性和高效率是需要研究的問題。
增材制造由于其獨特技術優勢引起了越來越多的關注，但也有很多缺點制約了其應用和發展，因此，同減材制造相結合的復合加工技術逐漸成為研究的焦點。本文在闡述增減材復合加工原理的基礎上，詳細介紹了多種復合加工技術的原理和特點。通過總結現有復合加工技術的研究現狀，指出未來的研究方向。
作者：馬立杰，樊紅麗，盧繼平，龐璐（北京理工大學機械與車輛學院）
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