封面 | 机器人激光增减材复合制造

蔡子豪, 朱勇强, 韩昌骏, 贺韶, 何烨, 邰志恒, Vyacheslav Trofimov, 杨永强. 不同工艺策略对机器人增减材复合制造316L不锈钢表面质量和力学性能影响的研究[J]. 中国激光, 2023, 50(8): 0802301.

封面解读

封面展现了机器人激光增减材复合制造系统以激光增材和铣削减材交替的工艺策略成形零件的过程。封面呈现了机器人增减材复合制造的不同阶段。在激光增材制造过程中，零件出现明显层纹和边缘塌陷现象，利用铣削减材将增材层加工平整，并在铣削平面上继续进行增材成形，直至最终零件制造完成。

研究背景

激光定向能量沉积增材制造技术因其高效、高材料利用率的特点，在航空航天、核能核电、汽车制造等领域具有广泛应用前景，是工业4.0中的重要技术之一。

然而，激光定向能量沉积增材成形零件表面质量和尺寸精度较低，限制了其直接制造零件的应用范围。激光定向能量沉积与铣削减材结合而成的激光增减材复合制造技术，在发挥激光增材制造优势的同时，可利用铣削减材提升零件的尺寸精度与表面质量，是高精度复杂零件制造的有效手段。

目前，国内对于增减材复合制造技术的探索仍处于初步阶段，相关研究主要集中在以数控机床为平台的技术研发上，基于多轴机器人的增减材复合制造技术研究相对较少。在机器人增减材复合制造系统中，机器人减材加工的方向灵活度大、且成形范围更广，为制造大尺寸高精度复杂曲面零件提供了条件。

在实际应用中，增材与减材工艺参数以及增减材工艺策略对增减材复合制造技术的成形效果会产生不同影响，因此探索机器人增减材复合制造的优化工艺参数及工艺策略、对于成形效果影响具有重要参考意义。

创新工作

针对激光定向能量沉积(LDED)成形零件尺寸精度低、表面粗糙度大的问题，华南理工大学杨永强教授课题组采用机器人激光增减材复合制造平台，研究了不同工艺策略（先增材后减材、增材和减材交替）对复合成形316L表面质量和力学性能的影响，并验证了增减材复合制造工艺的工业应用可行性。

首先，团队设计了单因素实验以获取机器人增材制造的较优扫描间距。以2、2.5、3、3.5、4 mm的扫描间距成形，对比了不同扫描间距下成形的拉伸试样的力学性能。其中，扫描间距为2.5 mm的样件屈服强度达378.33 MPa，抗拉强度达597.25 MPa，断裂延伸率达到45.88%，且致密度超过99%。实验结果表明，该参数下的力学性能优于铸造、热压烧结工艺成形的试样性能。

而后，团队以主轴转速、铣削深度、铣削宽度和进给速度为参考，设计了四因素三水平的正交设计实验，研究铣削工艺参数对增材成形件的尺寸精度和表面质量的影响。实验结果表明，机器人在主轴转速3600 r/min、进给速度3 mm/s、铣削深度0.1 mm、铣削宽度3 mm的工艺参数下铣削，激光增材可以获得表面粗糙度较低、内部缺陷较少的试样。

图1为先增后减和增减材交替工艺策略分别所获得试样的力学性能。其中，先增材后减材与增减材交替工艺成形试样顶面的表面粗糙度分别为0.98 μm和0.99 μm，显微硬度分别为760.96 HV和765.07 HV，侧表面粗糙度分别为1.62 μm和1.41 μm，显微硬度分别为647.57 HV和665.11 HV，极限抗拉强度分别为594 MPa和602 MPa，屈服强度分别为373 MPa和375 MPa，断裂延伸率分别为44%和47%。

（a）表面粗糙度和硬度（b）力学性能

图1 先增后减和增减材交替工艺策略下试样的性能对比图

通过对比先增后减工艺策略成形的拉伸试样的力学性能可知，增减材交替策略对于试样的成形没有负面影响，且可以采用增减材交替工艺策略及时消除边缘塌陷造成的尺寸精度误差。

结论和展望

使用优化的工艺参数和增减材交替工艺策略进行典型阀门模具增减材复合制造，可实现阀门模具零部件的高尺寸精度、高表面质量直接制造。表面粗糙度为0.87 μm，验证了机器人激光增减材复合制造复杂零件的可行性。

团队后续会对机器人定向能量沉积的层间提升量等工艺参数展开研究。在铣削减材方面，开展关于侧铣的研究以及铣削减材对增材成形试样尺寸精度和性能的影响分析。

课题组介绍

华南理工大学增材制造课题组由杨永强教授担任负责人，自2002年开始开展金属零件增材制造技术的研发工作，在激光增材制造设备研发、工艺过程及设计、质量控制和应用等方面开展了系统深入的研究。课题组依托国家金属材料近净成形工程技术研究中心、国家人体组织功能重建工程技术研究中心，目前有教授3名（包括海外高层次引进人才1名），副教授3名，讲师1名。课题组研发的激光选区熔化设备DiMetal系列已产业化。已发表相关学术论文400余篇，申请专利300余项，其中授权发明专利70余项，PCT专利7项。

通信作者简介

韩昌骏，华南理工大学副教授，博士生导师。2021年1月引进华南理工大学机械与汽车工程学院工作，研究方向为金属增材制造。Smart Manufacturing副编辑，《中国激光》和Journal of Central South University青年编委，中国有色金属学会增材制造技术专委会委员。在国内外领域期刊上共发表论文50余篇，其中以第一作者/通讯作者在Advanced Materials、Additive Manufacturing等期刊上发表SCI论文20余篇（其中ESI高被引2篇），合著英文专著1部（Wiley），参编中、英文专著各1部，受理发明专利10余项。曾获2021第一届全国博士后创新创业大赛金奖（排1）。

科学编辑 | 蔡子豪；韩昌骏

编辑 | 沈灵灵

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