混合增材制造工业中金属零件的技术综述外文翻译资料

 2023-05-16 03:05

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混合增材制造工业中金属零件的技术综述

摘要

添加制造技术已经成为传统制造技术的有前途的替代品。传统的制造技术包括通过机械程序切割和去除材料以获得最终产品。然而，在添加制造工艺中，任何形式的离散材料块被逐点和逐层地组合以制造最终产品。这些制造技术的许多优点和缺点反映在诸如设计、制造、材料特性和工作条件等因素中。因此，通过结合常规技术和添加技术的优点来开发生产技术是非常重要的。“混合制造”联合应用添加和常规生产方法来获得最终产品。因此，这个简短的概述涵盖了金属材料的加法和减法制造的操作方面。

1、介绍

在过去的几十年里，增材制造技术被认为是传统制造工艺的替代方法，各种材料的近净形产品的快速生产被认为是促进其大规模应用的主要优势。此外，单个机器易于制造许多复杂的形状和部件，而这些形状和部件通过单独的常规加工操作很难实现，这也是它们的卖点。然而，由于AM技术现在被考虑用于几个领域的大规模生产，新的挑战正在被迅速观察到，并且需要被控制和解决以允许AM的当前速度，薄壁结构、复杂的弯曲形状和网格结构是优选通过AM 技术生产的 主要几何部件。由于高材料损耗、尺寸问题、设备限制和内部空腔的制造，特别是对于网格结构，传统的制造过程存在严格的限制。然而，另一方面，通过AM 生产这些元件也有一些限制和局限。由于大功率热源的应用，通过AM实现高精度和严格遵守公差要求通常是不可能的。此外，基于材料添加的制造概念允许在制造期间添加剩余材料；另一方面，减去加工程序导致高质量的产品。然而，对于减法加工，由于几何复杂性，几何条件并不总是有利的。因此，这两种程序的联合应用可以创造出一种更好的制造策略。在这两种技术的混合方法中，添加制造可以创建具有接近净形几何和尺寸特征的原始部件，而减法加工操作可用于精炼这些原始零件，以达到所需的尺寸精度和表面光洁度。此外，支撑制造各种复杂部件所需的结构和所需的精加工后处理是AM工艺的主要问题之一。在生产之后需要移除支撑结构，如果作为后处理来完成，则增加了整体的复杂性和成本。另一方面，为了移除支撑结构，与传统手术相关的设备限制仍然存在。同样，对于薄壁结构，材料去除限制也很重要。混合增材制造是单独AM 或常规制造方法的一种合适的替代方法。混合增材制造可定义为一个过程，其中 AM设置与二次能源/工具相结合，具有协同改变工艺机制、零件加工、质量和功能的趋势。混合添加制造中的常见方法是添加传统的减法工艺，作为基于沉积的AM的辅助工艺。还提供了一个示意图，解释了混合添加制造过程的步骤和优点，如图1。也概述了一些主要的混合制造研，如表1。

图1(a)后处理级金属去除工艺的示意图(b)传统金属去除工艺和混合添加制造工艺的BTF比率比较

表1近期混合制造调查概述

2、混合制造的运筹学研究

2.1混合制造中的加工性能

机械加工是一种普遍采用的减法制造方法。与3D打印不同，加工过程从块状材料开始，然后通过去除切屑继续，直到通过切削工具和块状材料之间的相对运动获得最终形状。正如可以在图2中看到的。如今，在各种机械工业中，数控加工是制造零件最常用的方法之一。虽然通过机械加工可以获得精细的特征，例如螺纹、精确的孔、光滑的边缘和表面，但是巨大的材料损失和大量的生产时间是这种方法的重要缺点。

另一方面，3D打印是一种添加制造方法，其中在打印台/床上添加最终产品的二维部分，如图3。直到获得最终形状。然而，3D打印中的尺寸限制、材料添加原则和适用于各种机器的材料也可能有所不同。除了所有这些问题，3D打印部件最重要的缺点是加工质量，特别是高表面粗糙度和公差。

图3增材制造

图2减去制造

综合考虑优缺点，可以得出一些简单的原则，这些原则可以应用于在3D打印和机械加工之间进行选择的决策过程。一般来说，所有可以通过添加制造来制造的零件通常都适合机械加工。对于太复杂而无法通过机械加工生产的零件，如拓扑优化的几何形状，使用添加制造方法可能更合适。3D打印机装置加工一些小批量的原型的零件可能比机械加工更经济。然而，机械加工会产生更好的表面质量，但是，在小批量制造部件时，它可能是昂贵的。当需要制造大量零件(数百个或更多)时，机械加工或3D打印都不是划算的选择。在这种情况下，熔模铸造或注射成型等传统成型技术是最经济的选择。因此，消除机械加工和添加制造缺点的混合制造方法是必要的。

2.2混合制造的可用机器设置

国际生产工程学会(CIRP)将混合制造定义为两种或多种制造技术在一种新的设置中的结合，并以综合的方式利用每种方法的优势。换句话说，混合制造包括在同一加工区域同时应用不同的(化学的、物理的、受控的)制造原理。在大多数混合制造方法中，添加制造用于制造接近最终形状的部件，随后进行机械加工以精炼部件并达到期望的精加工和公差要求。为此，一些研究人员在传统铣床上增加了激光涂层装置，结合了激光涂层工艺的灵活性和铣削操作提供的高加工质量，如图4所示。

图4混合制造的机器设置

使用5轴混合数控机床，可以使用DED和标准牵引切割制造复杂的金属几何形状。激光头可以自动更换成为主轴工具。因此，设计调整和变更可以在过程中的任何一点进行。与SLM相比，这是一个巨大的优势，因为SLM实际上无法编辑或修改已经创建的零件。

郑和林采用了一种混合制造工艺，将选择性激光涂层和铣削工艺结合在一起。在此设置中，激光涂层工艺创建材料层，而铣削工艺用于调整涂层高度并降低表面粗糙度。此外，通过仅使用激光涂覆工艺生产相同的模具来研究混合制造的效果。诺沃特尼等人建议将激光集成到机床中，作为在短时间内进行维修、快速设计变更和零件直接制造的新技术解决方案。他们表示，包括激光涂层和机械加工在内的混合制造缩短了加工时间，并有效地生产出不同的形状。Choi等人揭示了焊丝焊接技术和机械加工一起使用的混合制造的优点和缺点。提到CO2激光焊接提供金属材料的精确沉积，而铣削调节表面质量。就简单的进给机构和较高的沉积速率而言，在焊接中使用焊丝代替粉末是有利的。本实验研究了激光功率、焊接速度等工艺参数。作为微观结构、硬度和拉伸强度的函数进行研究。冈萨雷斯等人使用基于金属添加制造、焊接技术和数控铣床集成的混合系统，通过制造各种几何形状的零件来研究尺寸精度和表面粗糙度。

2.3混合制造的当前趋势

宋与朴研究了使用焊接技术和铣削相结合的混合制造的各种设计参数。他们提出了通过改变焊枪和其他焊接参数来制造锡和锌合金不锈钢的替代方法。Kapil等人使用混合制造方法的各种组合，其中MIG、TIG焊接和激光涂层技术在涡轮叶片制造中与3轴CNC相结合。这种开发的混合制造方法的生产效率与传统方法相比非常高。Suryakumar等人对由焊接和铣削工艺组成的混合制造的生产参数进行了数值和实验研究。他们为焊接开发的生产模式的经济性已被证明适用于注塑模具，并已被开发用于混合制造。向等，另一方面，通过他们与等离子弧焊接和加工一起使用的混合系统，解决了尺寸精度和表面质量不足的问题。兰泽塔和科特斯基创造了光滑成型的干粘合剂产品，可用于帮助人类和机器人达到成形沉积制造和材料去除的结合。阮等为五轴激光辅助制造工艺(LAMP)开发了一种算法，并制造了各种厚度均匀和不均匀的零件。如图5所示。灯的制造过程结合了粉末供给激光沉积技术以及5轴计算机数控加工系统。在粉末床的激光扫描之后是铣削操作，以产生部件的最终形状。新开发的制造过程规划算法有助于混合系统更有效地配置零件。

图5(a)预热激光辅助切割的示意图；(b)预热激光辅助磨削

Liou等人介绍了利用混合制造技术生产高温材料的研究、开发和系统集成。Hur等人提出了一种方法，将快速原型制作装置的优点与数控机床的高精度相结合。使用基于超声波的微粉末供给机构来制造非常小的粉末图案，这些图案用非常小的激光束烧结。

图6中给出了性能、机制、能量和混合制造过程之间的结构。图6说明了一种方法，该方法不仅拓宽了可考虑的工艺范围，而且通过使用控制每个工艺的物理机制，将工艺与最终材料和零件质量相关联。例如，它突出了混合AM的材料设计方面，同时也突出了新工艺和材料是如何协同开发的。

图6“性能e机制e能量e混合制造工艺”之间的结构

3、混合制造的质量方面

混合制造目前是一个发展中的领域，它包括所有那些制造方法，其中不同的操作共同应用于单个ma上中国设置。混合制造的适应性是主要由高表面光洁度和尺寸要求决定。许多研究人员已经对混合制造的表面光洁度和尺寸精度方面的质量进行了研究。安德鲁等人陈述了用于制造钛部件的基于两个子步骤的顺序混合制造和迭代混合制造方法。通过采用迭代方法，成功实现了总时间为15小时的部件，并且易于制造复杂的内部几何特征以及9 mm的出色表面偏差。发现316 L钢的AM竣工表面由于未熔化粉末颗粒的粘附而粗糙。另一方面，HM的表面相对光滑。此外，在未进行热处理的混合制造零件中发现了几种不规则的微观结构特征。这些不规则的微观结构特征主要是由于AM中极高的冷却速率造成的。热处理后HM零件的不规则和非平衡显微组织也被特征奥氏体相组织所取代。关于混合制造中加工参数对最终表面质量的影响，观察到与材料去除面积或进给速度相比，主轴速度对表面粗糙度具有最显著的影响。此外，据报道，更高的主轴速度在提高表面质量以及降低HM中的几何精度要求方面是显著的。另一方面，发现适度的进给速率能在表面质量和效率之间获得更好的一致性。李等提出了基于WAAM和铣削的混合框架，并研究了航空级加筋板的制造。通过优化，可以看出，高运动速度、目标宽度相关的送丝速率、高主轴速度和适中的工具进给速率对于获得对表面质量、低材料使用和效率的更好的耦合影响是必不可少的。因此，为了选择混合制造工艺的近似工艺参数，它可以作为标准。尼古拉等人还观察了混合制造中DED制造的316 L不锈钢的铣削后表面光洁度。发现表面状况很差。由于粘附的碎片，向上铣削更糟。还观察到材料的表层比主体材料更易加工。还观察并发现通过向下铣削显著提高了工具寿命。博京等人观察了混合制造方法不同区域的拉伸和硬度行为。基于Hastelloy X的部件在界面区域显示出较高的硬度值。类似地，强度值也提高了，但是发现延展性也降低了。同样，魏等人还报道了添加减成18 Ni 300钢的硬度值。混合制造组件的硬度值在与SLM制作的样品进行比较。另一方面，发现SLM制造的部件的加工表面粗糙度值低于所有考虑进给速度的锻造样品。总的来说，发现混合制造的部件具有更好的性能和输出。贾里德等人还观察到由于随后应用的多个制造工艺(即混合制造)而产生的残余应力和变形。如图7显示了竣工圆柱形部件中的残余应力主要是外部材料的拉伸应力和内部材料的压缩应力。而观察到在制造后加工阶段，圆柱形样品在外径加工操作过程中收缩。因此，有人认为切削条件会沿外表面产生压应力。

图7典型的应力分布，以及从外径(OD)上去除材料时内径读数的变化。

a)环向应力，B)轴向应力

4、混合制造的未来前景

4.1人工智能和智能组件在混合制造中的应用

在混合制造方法中，无论是设计还是生产，能够预见结果是极其重要的。人们正在努力利用成像程序或模拟技术，以最少的材料浪费实现最有效的工作。这是人工智能和混合制造可以结合的一个点。在混合制造中使用人工智能是一个步骤，将为优化提供极大的便利。在未来，混合制造将会找到许多人工智能技术的解决方案，如图8。对于一个设计好的模型，要和理论上一样有效。人工智能和软件开发正在对未来的商业和终端消费者市场产生巨大的影响。“空中客车”公司使用混合制造设计和制造的飞机的大部分零件。几乎所有的工程材料都可以作为混合制造的基础材料。

图8人工智能技术的混合制造

4.1工业4.0和混合制造

智能系统部分集成的构建对于迎接未来“工业4.0”的挑战至关重要，如商品定制、生命周期数据和实时工程系统的监控。因此，传感器和执行器是全球智能控制产业价值链的关键要素。

使用传统的制造或成型工艺，几乎不可能将机电设备以一种结构合理的方式放入组件中。然而，对于添加制造，这可以通过逐层制造方法来实现。这使得智能结构的制造成为可能，这可能是未来智能制造方式的一个重大变化。对于通过添加制造的传感器集成，可以识别各种工业目的：特别是对于医疗目的，可以制造具有完全封闭的RFID标签的高级生物机械设备进行个性化设置。例如，为了提高稳定性，传感器数据可以调整植入物和听骨结构的连接性。此外，集成传感器可用于预测机床的维护并监控金属成形工具的磨损和温度。用于现场损伤检测和寿命评估的机电一体化组件可用于轻量化设计的许多领域，包括能源领域。这导致轻部件在重量和关键载荷路径方面的重新配置。举个例子，如图9，显示了与传感器集成的汽轮机叶片结构监控的发电厂概念。机翼利用靠近临界位置的传感器连续监测机械和温度载荷的能力受益于最高温度，并提高了系统的效率。

图9集成了传感器的汽轮机叶片结构监控的发电厂概念

2001年，李通过光纤传感器和光纤光栅(FBG)传感器的金属掺杂元件的混合制造，负责层状金属元件嵌入式传感器的前期工作。此外，Mathew介绍了FBG的集成，几个研究小组研究了光纤传感器的使用。此外，薄膜传感器、RFID芯片和DC电机或压电致动器和斯托尔的温度传感器的应用领域进行了研究。初步研究的共同点是，每个集成电子元件都有自己的设计或集成概念，是为该元件量身定制的。

5、结论

应开发一种与CPA、SLM和SLS等3D金属印刷方法兼容的通用杂交工艺。就加工能力、材料和应用而言，粘合剂生产技术正变得更加强大和多样化。为了利用这两种方法的优点，必须开发一种混合制造方法。

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