混合金属增材制造:最新研究进展（2）

江苏激光联盟导读：

本文探讨了混合金属增材制造的研究进展。本文为第二部分。

2.3.2 DED-based流程

图3 金属增材制造(MAM)工艺的分类属于两类(PBF和DED)，在三维金属零件的构建中有着广泛的应用。

图3中列出的基于生成的过程之间的主要区别来自于热能的来源和用于输送原料的系统，并在零件的建造过程中确保其同时沉积和熔化。

激光直接能量沉积(Laser direct energy deposition, L-DED)利用激光熔覆的工作原理，一层一层地构建三维金属零件(图5a)。原料可以是粉状或线状;在粉末的情况下，材料被分割并通过激光头馈送(通常是同轴的)，而在线材的情况下，材料是通过一个独立的系统，从激光头分离。

图5 以下的工作原理的示意图表示基于的过程。

(a)激光直接能量沉积(LD-DED);

(b)电子束直接能量沉积(EB-DED);

(c)气体金属电弧直接能量沉积(GMA-DED);

(d)气体钨极电弧直接能量沉积(GTA-DED);

(e)等离子弧直接能量沉积(PA-DED)。

使用线材的最大沉积速率可达2 kg/h，表面粗糙度一般在30 μm以上。由于不需要使用受控的环境室，该过程可以自动化，以增强构建复杂三维零件的路径运动灵活性。从激光头流出的保护气体保护熔体池免受氧化，并作为载体协助粉末转移到熔体池。

电子束直接能量沉积(EB-DED)的工作原理与L-DED类似，只是电子束在受控真空条件下工作，取代了激光束热源(Fuchs 等，2018)(图5b)。由于在真空中对金属粉末流动的处理不当，该工艺只使用线材作为原料，这可能会影响零件的最终质量和精度。

EB-DED可以制造大尺寸的零件，沉积速率从3到10公斤/小时，取决于材料和零件特性。在某些情况下，高沉积速率和大熔体池会产生显著的热应力，这需要基体和夹具的考虑。成品零件的表面粗糙度是无关紧要的，因为必须进行二次操作才能得到成品零件。

图3中归类在WAAM(丝弧增材制造)子类别下的工艺是指那些使用电弧作为热能来源并具有类似于弧焊工艺的工作原理的工艺。基于waam的工艺通常精确度较低，但比L-DED更快，因为沉积速率可达5 - 6kg /h。它们也比L-DED更高效，因为将电能转化为激光束需要更大的能量需求。

WAAM与EB-DED的对比，可以说沉积速率较高，但精度较低。然而基于WAAM的工艺在拥有自己焊接设备的研究机构和行业中的吸引力源于这样一个事实，即通过购买所需的CNC机构或将设备安装到现有的机器人中，创建具有在短时间内生产大尺寸零件能力的MAM系统相对容易且成本较低跨度。

气体金属电弧焊(GMAW)是WAAM中应用最广泛的一种技术，它是在惰性或主动保护气体的保护下，自耗电丝(电极)的尖端形成电弧，自耗电丝(电极)在惰性或主动保护气体的保护下通过喷嘴自动进入焊接池。在指定的气体金属电弧直接能量沉积(GMA-DED)下(Williams等人，2016)(图5c)。这是因为GMA-DED是最简单和最便宜的工艺，因为它直接送丝，与焊枪的喷嘴是同轴的。

另外两个基于waam的过程如图3所示;气体电弧直接能量沉积(GTA-DED) (Baufeld等人，2010)和等离子电弧直接能量沉积(PA-DED) (Martina等人，2012)，使用非自耗电极(通常由钨制成)和正在施工的金属部分之间形成的电弧(图5d和5e)。这两种工艺的工作原理都来自于钨极氩弧焊(GTAW)和等离子弧焊(PAW)设备(Wu 等， 2018)，因此，原料丝不像GMA-DED那样通过喷嘴供应，而是通过一个额外的送丝装置。

由于PA-DED中的电弧比GTA-DED中的电弧具有更大的能量浓度、更好的稳定性和更小的热变形，沉积速率比GTA-DED中的高。事实上，PA-DED仍然是唯一一种基于电弧的MAM工艺，它也可以使用粉末作为原料(Zhang, 2003)。

3.混合生产

自上世纪90年代末“混合制造”一词开始广泛使用以来，研究人员就一直在为该给它下一个正确的定义而努力。Rajurkar等人(1999)将“混合加工”定义为两种或多种材料去除过程的组合。由于两种或两种以上材料去除工艺的组合是大多数减色法制造路线的固有特性，因此这种描述有些模糊，Kozak和Rajurkar(2000)决定重新调整定义，要求混合加工过程的性能特征与单独加工过程的性能特征有很大的不同。

Aspinwall等人(2001)进一步加强了“混合加工”的定义，认为两种或更多材料去除过程的组合只能被认为是“混合”，如果它们被单独应用在一台机器上。如果材料去除过程是同时应用的，集成应该被称为“辅助”。

在这些初步尝试定义“混合加工”的同时，金属成形界也在使用“混合”一词来描述基于不同成形工艺组合(例如挤压和电磁成形)的制造路线(Jäger等，2011)。

2010年初，人们意识到“混合制造”一词应该从更广泛的角度来使用，包括机械加工以外的其他过程，这使得一些作者将“混合制造”与每个组合过程的基本原理联系起来，即在同一加工区域同时使用的不同形式的能量(Nau等， 2011)。

认识到这一点，国际生产工程学会(CIRP)提出了混合制造过程的定义，即“基于过程机制和/或对过程性能有显著影响的能源/工具的同时和受控的相互作用”。然而，随后关于“同步和受控的交互作用”这一措辞的争论要求过程机制和/或能源/工具在同一加工区域或多或少地相互作用，同时也产生了混合制造随后的两个定义(Zhu 等， 2013):

(a)基于先前的定义，混合制造的狭义定义要求在同一加工区域使用不同的工艺机制;

(b)混合制造是一种开放式的定义，基于将两种或两种以上已建立的制造工艺组合成一个新的组合结构。

狭义的混合制造是从并行的角度来看的，即两个或两个以上的工艺在同一时间原位组合。开放式定义从工艺顺序的角度看待混合制造，并与采用创新组合制造方法而不是传统制造方法的收益密切相关。此外，组合工艺不再需要基于不同的技术，如Araghi等人(2009)所示，他们成功地将拉伸成形和增量成形(即两种塑性变形工艺)集成到一个创新的混合装置中。

重新审视Lauwers等人(2014)的上述定义，将混合制造分为两大类(图6a)。第一组(称为“I”)恢复了混合制造的狭隘(并发)观点，并包含两种或更多能源/工具组合在一起的过程，并在加工区产生协同效应。该小组进一步分为两个子组:I.A -包含辅助过程，其中一个二级过程是先验地用来协助原始过程原位，和I.B -包含混合过程，其中两个或更多的过程是同时使用的。

图6 基于Lauwers等人(2014)最初提出的混合制造工艺的新扩展分类(参考黑色虚线区域)。

第二组(称为“II”)与混合制造的开放定义有关，并说明了为以更有效和更具生产力的方式制造零件而通过控制各工序的单独组合来获得协同效应的过程。凸台成形和镦粗的组合将板材连接到管的末端(Alves等人，2018)，以及部分切割、弯曲和板材-体积成形的组合，以生产金属板材搭接接头(Pragana等人，2018)是属于这一组的两个例子。

如上所述，我们可以得出结论，图6所示的混合制造的分类从最初的概念只专注于机械加工发展到一个更广泛的概念，包括其他制造工艺和路线。然而，Lauwers等人(2014)最初的分类背后的根源(参考图6中的虚线区域)与主要加工原料的使用有很深的联系，这些原材料的形式有锭、板、片、棒、管、型材、粉末、球团等。

考虑到新的混合制造路线的出现，该路线基于通过增材和传统制造工艺组合使用额外沉积的材料来制造难以（甚至不可能）通过每种工艺单独获得的零件，有必要修改Lauwers等人（2014）的原始分类，以包括两个新的第二亚组II.A and II.B（图6）。

II.A子组包括对主要加工原材料的工艺机制的受控应用。子组II.B，以下简称为混合增材制造（HAM），包含对增材沉积材料的过程机制的受控应用，以及对先前经过传统制造工艺的主要加工原材料的增材制造的受控应用。

这种新分类背后的愿景为增材制造与传统制造工艺的混合铺平了道路，目的是增加其适用性领域并克服与低生产率，粗糙表面质量和缺乏尺寸精度相关的限制（表1）。相反，增材制造的杂交也可能有助于增加灵活性，并促进传统制造工艺/路线的新应用。

表 1.增材制造和其他成型和加工工艺的尺寸公差

本文的第三部分将集中于金属混合增材制造(以下简称“金属增材制造”)，特别强调金属增材制造(MAM)与成形工艺的结合。

4. 金属混合增材制造

4．1. 具有多热源的金属高温焊接

基于多热源利用的金属混合增材制造属于图6的I.A组（辅助工艺），热能源仅辅助主要增材制造工艺。这种想法在2000年代中期开始引起人们的注意，其根源在于新型混合焊接工艺的开发，该工艺能够通过电弧辅助激光，克服激光焊接在间隙限制、涂层损坏和熔融材料内气孔形成方面的局限性（Ono，2002）。

使用多种热能的概念最终在MAM领域得以实现，通过提供补充能源来提高工艺稳定性。例如，Qian等人（2006年）提出利用激光辅助等离子弧直接能量沉积（PA-ED）系统。Zhang等人（2006年）评估了这种新的混合制造辅助工艺，称为“激光等离子体沉积制造”，并总结了其在获得快速厚且均匀的涂层沉积方面的能力，以及比原始（非辅助）PA-ED系统提供的更好的机械性能。

最近，Zhang等人（2018）开发了一种激光辅助GMA-DED系统，用于制作薄壁铝试样，并证明了该概念在控制高度和壁宽均匀性方面的有效性（图7a）。其他研究人员专注于评估和分析这种新型混合增材制造工艺的微观结构（Liu等人，2020年）和沉积策略（Li等人，2020年）。

图7 金属增材制造示意图，其中（a）GMA-DED和（b）GTA-DED系统由激光热源辅助。

Wu等人（2020年）利用激光辅助GTA-DED变体制作了铝试样（图7b），与其他AM工艺制作的试样相比，该试样显示出良好的微观结构和机械性能，以及较小的裂纹和气孔发生率。

4.2. 金属HAM与材料去除工艺

金属增材制造（MAM）与材料去除工艺（也称为“减材工艺”）的混合可分为两类：

（a）在后处理级别利用材料去除工艺，以获得制造零件所需的几何精度、尺寸公差和表面质量；

（b）在制造过程中整合材料去除过程，以获得不可能（或非常困难且昂贵）通过增材制造或材料去除操作单独生产的零件。

本文将不考虑第一类，因为后处理材料去除操作是大多数金属增材制造（MAM）路线的固有操作，以确保制造的零件符合设计规范。其中一个例子是移除图8a所示金属构件的“楼梯”轮廓。

图8 （a）在后处理级别使用金属去除工艺以消除金属制造零件的“阶梯”轮廓的示意图，以及（b）传统金属去除工艺和混合增材制造工艺与材料去除的BTF比率比较。

这种类型的集成早已得到认可，并体现在混合制造系统的可用性中，该系统具有组合铣削/车削和MAM功能，可在较短的交付周期内使用单一夹具生产现成的复杂金属制造零件（Lorenz et al.，2015；Merklein et al.，2016）。

虽然这一类别可以被认为是最简单的，但不可能低估其在降低总体材料和能源消耗方面的重要性。在加工昂贵且难以加工的材料（如钛或镍基超级合金）的情况下，这一点得到了进一步认可，因为购买飞行（BTF）比率（图8b）的降低，即初始工件的质量与成品零件的质量之比，通过将金属增材制造（MAM）与后处理水平的材料去除相结合，可以非常有效地降低总体制造成本和材料浪费（Seow等人，2019年）。

第二类允许生产具有复杂特征的各种复杂零件，但也包括图9所示的简单零件。事实上，在图9所示的制造零件中，尝试在“后处理水平”（即MAM循环结束后）使用金属去除操作是不可行的，因为切削刀具访问受限。在这种情况下，悬边、浅截面或复杂特征的加工必须与制造过程中的材料沉积一起进行（Luo和Frank，2010）。

图9 在制造过程中，将金属增材制造和材料去除相结合，以制造最终的金属零件。

从上述第二类的角度来看，金属增材制造与材料去除过程的整合始于20世纪90年代中期。Fessler等人（1996）和科洛克等人（1996）结合了早期的L-DED系统，该系统由激光器和耦合送粉系统组成，（当时广泛用于激光熔覆的设备），配有高速铣床，在金属沉积的中间阶段执行材料去除操作。

然而，通过定制MAM工艺和/或材料去除操作，去除材料的金属HAM研究在2000年中期才开始扩大和巩固。例如，Kerschbaumer和Ernst（2004）重新审视了早期的概念，并在刀具轨迹生成、激光电源性能和送粉定制策略方面提供了进一步的见解。Sreenathbabu等人（2005年）将GMA-DED集成到CNC铣削系统中，用于将不规则层加工成更精确的平面形状。Song等人（2005年）在铣床上组装了两个GMA焊炬和一个激光器，以获得一个混合多任务系统，该系统能够通过自动调幅工具切换设备提供更精确和选择性的金属沉积。

在开发混合多任务系统的同一系列产品中，Kovacevic和Valant（2006）为一个六轴机器人系统申请了专利，该系统用于制造具有等离子和激光沉积能力的金属零件。Xinhong等人（2010年）开发了一个结合PA-DED增材制造和铣削的系统，以制造由镍超级合金制成的航空发动机双螺旋整体叶轮。

这些例子和上面没有提到的其他例子，刺激机床行业在2010年代早期开发并商业化第一个混合增材制造系统。DMG Mori推出了LASERTEC 65 3D混合系统，该系统将L-DED材料沉积（激光头通过同轴喷嘴进行材料沉积）与全五轴铣床相结合（伍德科克，2014年）。马扎克推出了Integrex i-400 a.m.，该产品还基于L-DED与五轴加工能力的结合（混合制造技术，2014）。

事实上，目前大多数可用的内部和商用混合增材制造系统都基于DED技术，因为它具有更大的灵活性，可以将增材和减材工艺组合到一台机器中（Manogharan等人，2015）。

第一个基于PBF技术的混合增材制造系统是Lumex Avance-25 byMatsuura（2020）。该系统将LPBF的材料沉积与高速铣削相结合，并因其完善模具外部轮廓、表面粗糙度和腐蚀特性的潜力而受到关注（Ahn，2011）。

为了提高金属沉积的灵活性，3D Hybrid（2020）公司目前提供了将GMA-DED、L-DED和冷喷涂头（通常用于涂层应用）集成到CNC加工中心的可能性。

复合拉伸成形和AISF。

非对称增量板料成形(AISF)是一种适用于钣金件小批量生产的柔性成形工艺。但存在薄度过大、几何精度低、工艺持续时间长、缺乏可靠的虚拟工艺规划工具等问题。为了克服这些限制，拉伸成形和AISF的结合得到了发展 (上图)。

4.3 金属HAM与成形工艺

金属增材制造(MAM)与成形工艺的杂交，通过成形生产出中批量或大批量的半成品，然后通过增材制造添加额外的功能元素，被认为是一种有效的方法，将传统的成型工艺路线延伸到定制的、以客户为导向的产品制造中(Merklein, 2016)。

金属冲压成形工艺的另一个方面是，通过增材制造优化几何形状的预制件结构，以确保在小批量、单级成形操作中无缺陷流动和模具填充，并具有较小的金属损耗(Silva等人，2017年)。

最后，也有可能将MAM与成形工艺结合起来，以改善沉积金属在工艺路线期间和结束时的性能。在连接这值得一提的是,MAM的利用率提高的表面形成工具(如提高硬度、磨损和抗氧化性能工具)( Hofmann等, 2015)这里不考虑,因为它不适合混合制造第三节中给出的定义。基于相同的原因，通过增材制造制造金属成形工具(Juncker等人，2015)并不包括在下文中。

考虑到之前的框架，作者决定将金属增材制造(MAM)与成形工艺的组合分为四种不同的类别:

-与工艺相结合，提高沉积金属的性能;

-与大体积成形工艺集成;

-与板材成形工艺集成;

-通过成形过程的整合与连接;

4.3.1 与工艺相结合，提高沉积金属的性能

将金属混合增材制造与改善沉积金属性能的工艺相结合的根源在于机械表面处理。本节要考虑的第一个整体是，在搅拌摩擦焊产生的焊接珠上施加压力，作为控制残余应力和变形的一种手段(Altenkirch等人，2009年)，找到附加的根源。这一过程，以下称为“表面轧制”，通过一个坚硬和高度抛光的滚轮，使焊缝表面发生塑性变形，以提高表面光洁度，并产生压应力，以抵消焊接加热-冷却循环产生的残余应力。

Colegrove等人(2013)对基于waam工艺的连续沉积层进行了首次表面轧制(图10)。过程是在每一个新的层冷却到near-ambient温度和结果展示了其积极的影响在减少残余应力和变形,还在最后的微观结构,由于减少晶粒尺寸由塑性变形引起的动态再结晶引起的。

图10 由WAAM与表面轧制组合而成的混合金属增材制造工艺示意图。重点讨论了金相组织的改变(晶粒尺寸的减小及其对残余应力的影响)。

Zhang等人(2013)通过聚焦于直接在沉积炬后面的滚轮的原位利用，为基于waam工艺的沉积层施加压力提供了一种不同的策略。

在随后的研究中，Colegrove等人(2017)揭示了表面轧制对机械性能(屈服强度、最终的抗拉强度和伸长率)，这是由于将不良的柱状组织(各向异性行为的主要贡献者)改为精细的等轴组织。

金属增材制造(MAM)与旨在改善沉积金属性能的工艺的另一种集成类型是在基于waam的工艺的连续层上使用喷丸，以消除残余应力和最小化扭曲(Prinz和Weiss, 1993)。喷丸处理是用小的硬球反复撞击各沉积层的表面，引起塑性变形和压应力，但与表面滚压相反，沉积层的整体形状变化不大。

Bamberg(2012)扩展利用金属HAM与喷丸加工提出的结合L-DED与其他变异的喷丸加工(图11),如超声波或激光冲击锤击,基于高频振荡的利用压电传感器或激光脉冲高功率激光器(图11 b)。作者提出利用该方法对航空发动机燃气轮机增材叶片元件的选择性区域进行硬化。

图11 由L-DED和(a)喷丸和(b)激光冲击喷丸组合而成的混合金属增材制造工艺示意图。

近年来，带喷丸强化的金属高温合金作为一种提高军用、航空航天、汽车和生物医学工业中应用的预制部件性能的手段已显著增长(Sealy, 2018年)。

喷丸强化金属加工的另一个优点是，由于压应力对延迟疲劳裂纹萌生的影响，可以提高疲劳寿命。例如Uzan 等(2018)研究了喷丸强化对LPBF铝合金试件疲劳抗力的影响，得出了喷丸强化对疲劳抗力和疲劳极限的积极影响。裂纹试样的断口形貌分析表明，喷丸处理后疲劳裂纹萌生部位比未喷丸处理的试样更深。

Sokolov等人(2020)最近提出将MAM与热轧相结合，作为L-DED生产的钛合金大型零件的热机械后处理解决方案。作者公布的结果证实，在降低残余孔隙度和诱导沉积材料的微观结构变化方面具有优势，有助于提高最终抗拉强度和断裂伸长率。

Duarte等人(2020)最近提出，利用定制的WAAM焊枪将MAM与热锻结合起来，作为减少残余孔隙、细化组织和改善沉积材料力学性能的替代解决方案。定制的焊枪配有放置在气体喷嘴内的锤头，该锤头由振动驱动器激活，用于对沉积的材料在高温下进行局部原位塑性变形(图12)。

图12 在燃气喷嘴内装有锤子的定制火炬示意图和主要电气方案(Duarte等人，2020年)。

来源：Hybrid metal additive manufacturing: A state–of–the-art review，Advances inIndustrial and Manufacturing Engineering，doi.org/10.1016/j.aime.2021.100032

参考文献：Applications of laser assisted metal rapid tooling process tomanufacture of molding & forming tools—state of the art，Int. J.Precis. Eng. Manuf., 12 (5) (2011), pp. 925-938, 10.1007/S12541-011-0125-5