基于增减材制造的复合加工技术解析(4)
２．６超声波增材制造（ＵＡＭ）
超声波增材制造（Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃａｄｄｉｔｉｖｅｍａｎｕｆａｃｔｕｒ－ｉｎｇＵＡＭ）技术是超声波焊接和数控加工结合的一种固态复合加工技术，材料为金属箔片。其基本原理是利用超声波的振动能量使两个需焊接的表面摩擦，形成分子间融合的一种固态焊接。在叠加完一层或几层后，利用ＣＮＣ技术去除多余材料，获得理想的几何尺寸和精度；然后进行另一层的叠加，如此循环直至获得完整零件，如图１４所示。ＵＡＭ技术优势：无飞溅和氧化等现象；成型材料广泛，包括铜、银、铝、镍 等有色金属；可以形成不同材料的结合，成梯度功能；可以集成功能性组件和特殊结构。图１５为嵌入光纤的ＵＡＭ成型件。
Ｓｔｕｃｋｅｒ等人创新性的采用一种基于晶体塑性 有限元模型（ＤＤＣＰ－ＦＥＭ）框架的位错密度技术研究了ＵＡＭ成型中Ａｌ３００３□Ｈ－１８亚晶粒的形成机理，并给出了准确预测。Ｊａｍｅｓ等人进行了ＵＡＭ成型中粘滑运动动力学分析研究。现在ＵＡＭ技术已经进入了商业化阶段，德国的Ｆａｂｒｉｓｏｎｉｃ公司于2013年12月推出了两组新的超声波３Ｄ打印机，ＵＡＭＳｏｎｉｃｌａｙｅｒ ４０００和７２００。
２．７其他研究情况
武汉理工大学熊新鸿团队融合材料添加和去除方法研究了ＨＰＤＭ技术，该技术和ＣＭＢ技术原理基本相同，不同的是该系统增材制造部分采用的是基于粉末的微束等离子快速成形技术，相比于ＡｒｃＨＬＭ，ＨＰＤＭ技术，其采用等离子成形技术，热输入量高、光斑半径更小、能量集中，因而沉积速度更快。离子束质量十分稳定，因而自动化程度更高，而且噪声小，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等采用激光和电子束成形的技术，ＨＰＤＭ技术成本低，扫描路径容易控制，但光斑较大，成型精度较低，成形结构不精细。 ＭｏｈａｍｍａｄＰｅｒｖｅｚＭｕｇｈａｌ等人研究了基于堆焊的复合成型技术中，铣削对材料性能的影响。他们利用基于堆焊的复合成型技术制备了两种试样，一种试样在成型过程中每沉积扫描一层后，进行平面铣削；另一种试样则没有铣削过程。
通过对比两种试样的微观组织结构、硬度分布检测以及拉伸试验情况，分析铣削过程对成型材料性能的影响和作用，并得出结论：铣削加工对成型零件的微观组织形态及分布和硬度分布有较大影响，而对屈服强度基本没有影响。 韩国首尔大学ＺｈｕＨｕ和ＫｕｎｗｏｏＬｅｅ等人对增减材复合制造的软件系统进行了大量的研究。他们首先提出了一种新的确定加工方向的算法，该算法综合考虑制造过程中的沉积特征和铣削特征，并进 行优化来确定加工方向。在确定加工方向后，又研究了一种基于凹边识别的分层算法，该方法综合考虑了刀具的可加工性、最大分层厚度、最小分层数量等因素，实验证明该方法分层数量更少，具有广阔的应用前景。
日本松浦机械制作所推出商业化ＬＵＭＥＸＡ－ｖａｎｃｅ－２５复合光造型机，具体是用激光烧结和铣削工艺结合的方式（ＳＬＭ烧结＋铣削），实现高精度的成型效果。他们主要利用金属光造型复合加工进行零件快速成型，实现激光烧结、切削加工、深加强筋加工、多孔造型以及三维冷却水路，具有３Ｄ网状、缩短时间、降低成本、３Ｄ自由曲面及一体化结构等优势。复合光造型机能反复进行金属光造型和采用立铣刀的高速、高精度切削加工，实现了与加工中心相当的尺寸精度和表面粗糙度。
3 基于增减材的复合加工技术发展方向
由于融合了增材制造和减材制造技术优势， 基于增减材的复合加工技术能快速制备出不同材料的高精度、高质量的复杂形状零件，缩短制造周期，节省材料，降低成本，增强产品竞争优势，特别有利于复杂形状、多品种、小批量零件的生产，具有广阔的应用前景。 但由于基于增减材的复合加工技术研究刚刚起步，并牵涉到较为宽广的技术学科，只有在相关学科技术得到全面的研究后才能对该技术形成支撑，具体来说以下几个方面是将来需要继续努力的方向。
（１）软件系统的研发。目前，所有的复合加工系统软件，都是在快速成型技术软件的基础上所进行的改进和集成，其基本过程和快速成型软件基本相同，但这并不能够完全发挥出复合加工技术的优势。未来软件的开发，应该基于复合加工技术的特点本身，从模型设计、离散化分层处理、路径生成及控制直到加工完成整个过程进行系统性融合。
（２）控制系统的研发。由于在零件成形过程中，要在沉积和机加工功能中不断转化，其加工坐标系也在不断的变化，因此对于刀具和沉积的准确定位和控制尤为重要。而现在几乎所有的基于增减材的复合加工系统，几乎没有反馈控制，因此如何实现对加工过程的实时检测和反馈，形成闭环控制，需要进一步研究。
（３）成型尺寸的扩展。上述介绍的基于增减材的复合加工技术主要应用于模具、功能结构件、嵌入式结构件等结构尺寸较小的成型件中，尚不能成型大型结构件。
（４）工艺集成性。由于成型的零件具有不同的特征性质，因此所采用的沉积工艺和材料也就不同。如何将多种沉积工艺设备集成在一起，并保证运行的协调性和高效率是需要研究的问题。
增材制造由于其独特技术优势引起了越来越多的关注，但也有很多缺点制约了其应用和发展，因此，同减材制造相结合的复合加工技术逐渐成为研究的焦点。本文在阐述增减材复合加工原理的基础上，详细介绍了多种复合加工技术的原理和特点。通过总结现有复合加工技术的研究现状，指出未来的研究方向。
作者：马立杰，樊红丽，卢继平，庞璐（北京理工大学机械与车辆学院）
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