电弧增材制造工艺参数和工艺规划研究现状与发展趋势.pdf

2023年 第9期 热加工14增材制造专题Additive Manufacturing Topic电弧增材制造工艺参数和工艺规划研究现状与发展趋势崔晓杰1，孙俊华1，杨洪才2，昝佳岐1，霍玉双11.山东建筑大学材料科学与工程学院山东济南2501012.山东济容热工科技有限公司山东济南250100摘要：电弧增材制造技术是采用电弧为热源，通过熔化金属丝材或粉末，逐层堆积出金属零部件的增材制造方法。工艺参数和工艺规划是影响电弧增材成形能力和成形质量的关键因素，为此，通过对电弧增材工艺参数的确定、常用增材金属工艺参数进行综述，总结了分层处理及路径规划处理种类，分析了各类别优缺点及适用场景，最后对电弧增材技术的未来研究方向进行了展望，并提出了一些建议。关键词：电弧增材制造；工艺参数；工艺规划；发展趋势基金项目：2020年山东省自然科学基金（面上项目）（ZR2020ME152）。1 序言增材制造技术1，2是一种采用逐层堆积，可将三维数字模型直接制造为实体构件的先进制造技术，成形制造过程简单，材料的利用率高，对于复杂形状的零部件，可实现快速成形。根据材料属性的不同，可以分为金属增材制造、非金属增材制造3；根据热源的不同，可以分为激光增材制造、电弧增材制造、电子束增材制造等4。其中，电弧增材制造主要是以电弧为热源，以金属丝为材料，通过焊丝熔化凝固逐层沉积成形的制造技术5，6。相比传统繁琐的加工制造工艺，在采用电弧增材制造技术进行加工制造的过程中，材料的利用率和沉积速率较高，生产成本较低，更加适用于大型复杂零部件的加工制造7，8；与传统的铸造、锻造技术相比，制造过程无需模具，整体制造流程和制造周期短，柔性化程度高，易于实现数字化、智能化，对设计的响应快，可实现零部件的拓扑优化设计，在小批量、复杂构件的个性化定制方面具有很大技术和成本优势9-11。2 电弧增材制造发展历程早在1925年，美国BAKER等就以电弧为热源，通过金属液滴逐层沉积，首次制造出“3D打印”的金属装饰物品。20世纪70年代，德国学者首先提出了以金属焊丝为原料，采用埋弧焊制造大型金属零件的概念12。后来，UJIIE13详细阐述了通过焊接金属逐渐堆叠获得圆形截面压力容器的技术。随着计算机技术的发展及其在制造领域的广泛应用，数字化焊接技术和数控设备电弧熔丝增材设备已经从原来的手工金属弧焊设备逐步升级到如今的数字化大型电弧熔丝增材设备集成平台。英国克兰菲尔德大学是电弧增材制造（WAAM）技术的前沿，其开发了多套基于TIG、PAW和CMT的成形设备系统。国内外其他研究机构也开发了电弧焊接机器人数控机床的装备系统14。3 国内外电弧增材制造研究现状目前，WAAM主要处于试验设计与探索阶段，研究人员开发各种装备系统，测试不同系统下的成形基本规律和相关影响因素，积累工程应用经验。成形件的精度、质量和力学性能深受工艺参数的影响，因此获得稳定的成形工艺参数是增材制造的难题也是关键基础问题。另外，工艺规划也是一个至关重要的环节，在电弧增材制造中易出现局部能量2023年 第9期 热加工15增材制造专题Additive Manufacturing Topic积聚和温度场不均匀，导致加工效率低、表面形貌质量差、翘曲变形等问题，通过对工件分层及路径规划，改善了零件表面质量，减少了成形过程中局部过热等待时间，从而提高了零件的成形效率及成形质量。路径规划是指对材料的堆叠轨迹进行规划，对工件进行逐层切片，在每一层切片内生成轨迹路径15-17。3.1 工艺参数对成形质量的影响从工艺优化的角度，建立工艺参数与成形质量的关系。针对不同的材料体系选配不同的焊接方法和成形系统，确定关键工艺参数，改变关键工艺参数，通过试验方法研究单层单道次（多层单道次、多道次多层）成形形状与最终成形件表面质量的关系。通过MATLAB、Python、SPSS分析等软件建立神经网络预测模型、多参数优化模型等，并建立成形件质量与焊接电流、电弧电压、焊接速度、送丝速度、导电嘴端面与工件距离等关键成形工艺参数的匹配关系。占宇航等18研究了镁合金电弧增材制造工艺参数对电弧沉积件抗拉强度的影响规律，得到抗拉强度与工艺参数的关系；郭亚轩等19进行了5B06铝合金多层单道增材制造试验，推荐出焊接参数，提高成形件质量；马倩等20分析了工艺参数对钛合金单层单道电弧增材成形件宏观形貌的影响，获得了形成稳定成形件的焊接工艺参数范围；李青壮21对镍基合金单道堆焊试验的特点及稳定性进行了研究，确定了焊接工艺稳定、焊缝成形效果最佳的工艺参数；范剑超等22进行了低碳钢单道单层电弧增材的研究，确定了最优参数组合。3.2 工艺规划的研究增材制造过程主要分为CAD造型、分层与路径规划以及在线三维熔敷与控制三部分。（1）CAD建模 零件的CAD模型获取主要分为两种方式：一种方式是通过SolidWorks、CAD、ProE等三维实体造型软件直接绘制；另一种是通过三维扫描仪扫描得到，适用于已有零件但不知零件图样的情况。（2）分层处理1）分层方式：电弧增材制造分层方式主要分为平面分层和曲面分层两种23，如图1所示。平面分层切片算法23编程简单且程序运行速度快，但台阶效应明显，且在成形复杂弯曲金属零件时，焊道短，容易造成局部能量积聚、温度场不均匀、加工效率低、表面形貌质量差，以及焊接变形等问题。曲面分层方式一方面提高了表面质量，减少了台阶效应；另一方面其分割的层数比平面分层切片少，可有效地缩短制造时间，提高成形效率，适用于具有复杂曲面形貌的零件。然而，由于曲面分层算法比平面分层算法复杂，因此存在许多问题，如曲面的表达、如何沿法线方向平移曲面、平移后曲面自交或不连续的可能性等24。2）分层厚度：电弧增材制造分层厚度主要分为自适应层厚分层、等层厚分层两种。国外学者的主要研究重点是自适应层厚分层算法25。自适应路径规划算法如图2所示。国外学者SIRASKAR等26提出了采用“八叉树”数据结构的自适应层厚切片算法，改进后的算法能显著提高零件成形质量。葡萄牙Minho大学的RIBEIRO等27对AutoLISP进行二次开发，设计了一种CAD三维零件模型直接分层切片方法，取得了理想的成形效果。a）平面分层及台阶效应 图2自适应路径规划算法25b）曲面分层图1分层方式232023年 第9期 热加工16增材制造专题Additive Manufacturing Topic国内学者的研究重点主要集中在等层厚度分层算法（见图3）的开发与优化25。上海交通大学朱晓鹏等28研究了基于STL模型的分层切片算法，提出了基于三角面分类的定向分层细化算法，简化了切片过程，实现了三维模型快速准确的分层处理，应用价值高。北京航空航天大学WANG等29开发了一种自适应切片算法，根据二维轮廓的面积变化和几何特征自动调整分层厚度。杨光等30提出了一种基于拓扑关系重构的STL文件切片算法，有效地消除了文件数据冗余，提高了分层切片的效率。点，这增加了算法的复杂度。（4）螺旋路径 可以形成连续、光滑、不尖锐的填充路径，不适合填充形状过于复杂的二维轮廓，特别是有孔的轮廓。（5）分区路径 可有效减少因应力集中而引起的拉丝和翘曲变形，但将复杂的轮廓截面划分为多个子区域并在不同子区域之间过渡时，空行程和起停弧数会显著增加。（6）分形路径 可以打印出光滑的表面和均匀分布的层状表面，但该路径中过多的90拐点会造成大量的过堆积，严重影响表面平整度31。常用路径规划如图4所示。a）三维模型a）光栅路径 b）Z字形路径c）轮廓路径 d）螺旋路径b）等厚度分层图3等厚度分层结果示意25e）混合路径图4常用路径规划234 路径规划WAAM中常用的填充路径有以下6种。（1）单向直线路径 不能形成连续的沉积路径，需要反复的起弧、熄弧，容易形成凹坑塌陷。（2）往复直线路径 成形能力高，可实现复杂轮廓的完全填充，起弧、熄弧次数少，但拐点路径多，主要分布在切片轮廓处，拐点路径处焊枪速度变化较大，可能造成大量欠积或过积。（3）轮廓偏移路径 以切片轮廓为基础，由外到内等距偏移，得到整体填充路径。该方法具有较高的几何恢复度，但当由外向内偏移时，若内部区域不能完成下一个等距偏移，则很容易在中心形成孔隙。当轮廓偏移量过多时，需要考虑多边形的交基于曲面分层方式（见图5），牛其华23开发了Z字形路径规划和轮廓路径规划两种曲面路径规划算法，提高了零件的表面质量，并减少了成形过程中局部过热等待时间，从而提高了零件成形效率；金宇鹏24在曲面分层下，分析了中轴路径的优势，进一步研究了适用于凸多边形的精准解析算法和适2023年 第9期 热加工17增材制造专题Additive Manufacturing Topic用于凹多边形或其他复杂图形的数值解算法，并开发了相关中轴路径规划软件，如图6所示。对于简单零件，可选择一定的填充路径和成形工艺参数，但对于几何特征复杂的大型金属零件，单一的填充路径往往无法完成截面的高效和完整填充，工件也无法获得更好的成形质量。根据具体情况，应采用多条路径相结合的复合路径规划方法。例如，将轮廓偏移路径和往复直线路径相结合的复合路径规划方法31，可获得填充完整的零件，见表1。图6中轴路径24a）曲面基底（体素精度0.2mm）b）Z字形路径图5曲面零件的Z字形曲面路径规划结果23表1不同路径规划方法下的成形结果31规划方法Z字形路径 轮廓偏置路径复合路径（所有偏置距离均为d0.738w）复合路径（轮廓偏置距离为d0.591w，平行线距离为d0.738w）填充路径示意图填充效果图结果填充不完整填充不完整填充不完整填充完整5 结束语目前，WAAM主要研究方向是提高成形能力和成形质量，本文主要从工艺参数和工艺规划两方面，总结电弧增材制造技术研究现状，不同的成形工艺、材料体系、结构特征、形状特征，有不同的参数及路径，很难做到规范化、标准化，根据具体情况、具体分析、试验检验才能得到所需成形件。1）针对工艺参数，对各种金属进行不同参数试验，获取更多试验数据，通过数据分析建立完善的参数数据库，进而建立成形质量和工艺参数的关系。2）对于工艺规划，无论是分层算法还是路径2023年 第9期 热加工18增材制造专题Additive Manufacturing Topic规划算法，虽然国内外已经获得广泛的研究，但还不够全面。对于复杂工件精准度、成形效率仍需提高，对于路径规划同样需要大量试验数据，建立完善的工艺规划数据库，完善算法，建立自动路径规划设计软件及相应设备，实时监控，自动调整，能够实现对执行过程各个环节进行控制，逐渐实现智能化。3）开发配套成形材料也是电弧增材制造当务之急，电弧增材制造成形技术几乎没有专门的成形材料，仍在沿用碳素钢及常用合金钢，因此开发成本低、成形性能好又能满足性能要求的材料也是未来发展趋势。目前，基于电弧增材制造的金属结构3D打印技术的研究仍处于基础研究阶段，虽然国内与国外相比存在差距，但仍有望赶超。随着研究的不断深入、技术的不断成熟，电弧增材制造技术的应用必将向广度和深度方向发展。当前，增材制造已在航空航天、汽车及医疗等多个领域取得了重大进展。相对传统制造业，增材制造无需模具，可以有效地降低成本、提高生产效率，其应用场景仍有很大潜力有待挖掘。未来，随着增材制造在更多领域的推广，增材制造技术和产业将获得更大的市场。构建具有强大竞争力的新型工业体系，这对于提高我国国防科技工业的制造水平和能力，特别是对增材制造工艺、设备研发、标准制定及人才培养中材料冶金和热物理等关键基础问题的研究，无疑具有重要价值。参考文献：1 田根，王文宇，常青，等电弧增材制造技术研究现状及展望J材料导报，2021，35（23）：23131-231412 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