增减材复合制造技术(HASM)是结合传统数控技术(cnC)与增材制造技术(AM)发展起来的一种具有广泛的应用前景的技术，在构建具有几何和材料复杂性的零件领域发挥着特别显著的作用，一方面规避了AM技术因精度和表面质量不理想需要离散化处理以及热处理等过程导致尺寸偏差、台阶效应等不良影响;另一方面能够充分发挥CNC技术高精度和高表面质量的优势。因此，探究HASM技术是当下国内外研究者关注的热点之一。
一、增减材复合制造(HASM)技术的原理及优势
HASM技术本质上是对材料添加和去除的一种新型复合制造技术，面向产品设计、软件开发、加工控制。换言之，其在结合AM技术和CNC技术优势的基础上实现对这两种技术的发展与再创新。20世纪末期，美国出现了一种制造新技术AM，又称三维打印或快速成型。它以数字化模型为根基，利用可粘合的材料，如粉体金属和塑料等，将物体的三维模型切割为多层薄片，再通过数字化手段逐层加工，从而实现二维到三维的堆叠成型。其非常适合用来制作几何形状复杂的零件。但这一技术总会在离散化处理时的数据格式和分层方法以及热处理等因素导致其精度和表面质量与先前预设有所误差。而传统CNC技术精度高、质量好，可有效弥补AM技术的缺憾。图1HASM技术消除台阶效应示意图Fig.1SchematicdiagramofHASMtechnologytoeliminatestepeffect将两种技术结合并各取所长的HASM技术，运行步骤分以下三步：一是建立三维CAD模型，用于生产零件;二是将模型按照设定好的厚度导入数据处理软件进行分层切片，以实现目标的降维处理：三维实体信息转为二维轮廓信息;三将降维后的机加工参数和沉积参数融入扫描路径代码，随后，参数加工系统会逐层地完成材料堆积及对材料轮廓或表面的加工控制工作，即软件控制的逐层堆积和数控加工过程，最终形成三维实体。概括而言，HASM的原理主要是“离散—堆积—控制”。如图1所示，HASM技术能够消除台阶效应的直接原因是引入了CNC技术，进一步提高精度，所以在AM加工阶段通过增大喷头直径或者分层厚度可以有效提高低分辨率的堆积，进一步提升加工工作效率，一定程度上降低生产成本。基于CNC技术和AM技术的HASM技术特点如图2所示，具有以下的优势：第一，AM技术可以直接打印所需形状，减少了CNC技术过程中需要耗费的成本和工具磨损;第二，通过HASM工艺不仅可以加工一些单一制造技术生产不了的具有特殊内部结构的产品;第三，AM技术和CNC技术的有效结合可以提高生产产品的表面质量，进而也可以提升生产产品的精度和准度。图2HASM技术的特点Fig.2FeaturesofHASMtechnology
二、增减材复合制造(HASM)技术的研究现状
国内外目前关于增减材复合制造技术的相关研究有一定的突出成果，综述如下：
(一)美国
20世纪90年代中期，美国斯坦福大学Fessler等学者提出了形状沉积制造(ShapeDepositionManufacturing,SDM)技术，这一技术已经将AM和CNC技术相结合。SDM技术可将钛合金、铜合金、和不锈钢等材料复合加工，并且成型精度极高。这一技术以CNC技术为主，先利用CNC技术将每一层的堆积材料逐步加工到零件外形，再进行下一层的成型，如此返复，等全部成型完毕后再去除原本的支撑材料美国卡内基梅隆大学Merz等学者将蜡按照模型的几何尺寸进行加工处理，并将其作为一种支撑材料，引入SDM。在此基础上，对下一层的成型材料的进行加工，但是该过程中所成型的产品表面粗糙，需要主轴刀具进一步的修整加工;上述过程全部结束后方可去支撑材料。
(二)德国
2001年，与美国相差不到十年，德国弗朗和夫生产技术研究所Freyer等学者为消除台阶效应，以实现材料沉积与机加工在同一个过程，就提出了控制金属堆积(ControlledMetalBuild-up,CMB)技术。CMB的主要原理是“沉积—铣削—沉积”。第一步，AM过程以可焊接金属作为成型材料，采用同轴送丝激光熔覆法，为防止每一层沉积的过程的氧化都采用气体保护的方法，对已经沉积的零件用刀具进行平面和仿形铣削，虽然会存有内部缺陷，但依旧会使其成型精度保持在较高水准。CMB系统在制造模具方面很有成就，该技术能够制造致密度高达100%的不锈钢零件，而且其制造的零件成型尺寸可达600mm×600mm×600mm，精度达0.02mm，亦Fig.4SchematicdiagramofCMBtechnologyproヽessingprocess基于上述激光熔覆法，德国DMGMoriSeiki公司采用五轴CNC技术推出了LASERTEC653D复合加工机床，此机床可以实现钛合金、铝合金、镍基合金及不锈钢等不同材料的复合加工。德国HamuelReichenbacher公司为将高速铣削、能量熔融和检测、抛光等辅助工艺相结合，推出了HYBRIDHSTM1500机床，以实现高价值部件修复。以上这些已经算是市面上较为成熟的增减材复合制造装备。
(三)英国
英国巴斯大学的研究人员对HASM技术也有深刻的认知，他们通过现有的技术成果预想其未来发展前景，该技术可以有效解决AM过程中出现的各种问题，例如：几何和尺寸精度不高等，也可以使内部结构复杂的零件摆脱传统工艺加工的限制。
(四)日本
日本Mazak公司以五轴多功能加工中心为平台集成了两个激光熔融头，推出了INTEGREXi-400AM多功能机床，此机床不仅可以进行高速熔融，还可以实现高精度熔融，当然也可以对增材制造的部件进行车统与激光标刻。除此之外，Sodick公司生产的OPM250L机床有效优化CNC技术，使得其显著提高表面质量并实现深槽的制造，而且，此机床可以通过调整工艺参数来优化零件的致密度。
(五)印度
印度理工学院Akula和Karunakaran等学者利用三轴机床促进了气体保护焊技术和CNC技术有效结合，使该机床生产的零件表面质量大幅提升。
(六)中国
国内目前关于增减材复合制造的相关研究相较于国外较少。大连理工大学有关学者发现使用SodickOPM250设备，可大幅度降低马氏体时效钢制件表面的粗糙度。他们发现此设备可以将选择性激光熔化和CNC工艺进行整合。除大连理工大学的学者外，还有一些学者也通过结合选择性激光熔覆法和CNC技术，并展开了关于金属零件直接快速成型、修复和改性等方面的研究。华中科技大学张海鸥与武汉科技大学熊新红等学者提出了有效控制AM过程中台阶效应的方法，即实现等离子沉积和CNC技术衔接，此法可将尺寸误差控制在±0.05%以内。北京理工大学的研究人员为去除AM零件表面的缺陷，以提高表面质量，实现了脉冲激光与CNC工艺复合。综上所述，HASM技术的研究虽然刚刚起步，但还需要相关学者的深入地研究，将其挖深、挖透。尤其是整个技术加工过程中的路径规划、成型机理以及工艺转换等问题。随着研究的深入，逐步克服AM技术的缺憾、提升CNC技术的精度和准度，进而实现HASM技术的高质量、可持续发展。
三、增减材复合制造(HASM)技术的关键问题
(一)底板支撑结构有待改进
在增减材复合制造的过程中，完备的零件与平台稳定性的构建都离不开合适、稳固的底板支撑结构，是因为某些零件不仅具有复杂的结构，还会对其成型材料有特殊要求。尤其是在增材制造与减材制造二者交替加工的过程中，更需要准确无误的零件定位，并且底板支撑结构能够承受刀具在接触零件表面时所产生的切削力。因此，我们在增减材复合制造的过程中，就要根据不同的材料需求、零件结构和加工方式来实现底板支撑结构的实时优化。
(二)增材与减材复合加工工序有待优化
在增减材复合制造过程中，不论是支撑结构还是加工前的预先模拟，都需要结合多方面综合考虑，包括支撑结构是否能与增材制造和减材加工等工序相匹配、结构的强度如何、减材加工刀具的路径多少合适、激光熔覆喷嘴的轨迹如何、制造可行性的大小以及机床运动的平台自由度等等，并做出最优的选择，从而实现增材与减材复合加工工序的进一步优化。
(三)实时在线检测反馈等技术手段有待更新
实时在线检测反馈对增材与减材复合加工系统的影响不容忽视。在增减材复合制造过程中，若能够实时监测此过程，将过程中可能呈现的各种状况、问题等及时反馈给计算机的控制系统，那计算机中控系统也会做出及时的调整与优化。因此，在此过程中制造的零件质量更高，所造成的缺陷更少。因此，发展多种测量传感技术以及计算机辅助在线检测技术很有必要。为此，有效使用工业机器人可以提高工作效率，降低成产成本。工业机器人涉及机械、控制、计算机等多门学科，可以将多种先进技术结合。
(四)闭环智能化的软件系统有待完善
增减材复合制造的软件系统愈完备愈会将各种参数实时反馈给计算机，包括加工过程中的工艺参数，计算机将原本不完善的参数加以优化从而指导后序的加工过程。计算机可以利用相应的编程语言，发布简单语令，实现信息交互，通过不同的组合来控制相应程序的运行。不同的指令可以配合完成多项工作，而且还会对相应的反应进行记录，如加工过程、成型结构等。这个过程是由计算机软件智能控制的、一个循序渐进的闭环过程，这种发展态势将是未来的发展趋势。总而言之，HASM技术虽然在CNC技术和AM技术基础上发挥了优势，能够提升不同材料的复杂形状加工效率，确保较高的精度和表面质量，利于生产。但是，该技术研究仍在发展初期阶段，尚未纯熟，研究者们仍然需要重点关注以上关键问题，拓展HASM技术的应用领域，更好的服务于社会生产。
参考文献:
[1]高孟秋,赵宇辉,赵吉宾,等.增减材复合制造技术研究现状与发展[J].真空,2019,290(6):76-82.
《增减材复合制造技术的研究现状与关键问题》来源：《冶金管理》，作者：李永超
