增材制造与传统加工工艺结合的复合制造技术研究

摘要 本论文聚焦于增材制造与传统加工工艺结合的复合制造技术。阐述了复合制造技术的研究背景与意义，分析增材制造和传统加工工艺各自的特点与局限性。通过探讨二者结合的多种模式，深入研究复合制造技术在航空航天、汽车制造、模具制造等领域的应用案例，并对其关键技术和面临的挑战进行剖析。最后，展望复合制造技术未来的发展趋势，旨在为该技术的进一步发展与应用提供参考。

关键词 增材制造；传统加工工艺；复合制造技术；应用案例；发展趋势

一、引言

（一）研究背景

随着制造业的不断发展，对产品的精度、性能、复杂度以及生产效率等方面的要求日益提高。传统加工工艺如车削、铣削、磨削等，经过长期发展，在精度和效率方面已达到较高水平，但在制造复杂结构零件时存在一定局限性。增材制造技术，也被称为 3D 打印技术，凭借其能够快速制造出复杂形状零件的优势，在近年来得到了迅速发展。然而，增材制造技术在尺寸精度、表面质量等方面仍有待提升。为了充分发挥两种制造方式的优势，增材制造与传统加工工艺结合的复合制造技术应运而生。

二、增材制造与传统加工工艺概述

增材制造是一种基于离散 - 堆积原理，将材料逐层累加制造三维实体零件的技术。根据成型原理的不同，增材制造技术主要包括熔融沉积成型（FDM）、光固化成型（SLA）、选择性激光烧结（SLS）、电子束熔化（EBM）、选择性激光熔化（SLM）等。增材制造技术具有以下优点：可以制造出传统加工工艺难以实现的复杂结构零件，如具有内流道、点阵结构的零件；产品设计自由度高，能够快速实现产品的原型制作和个性化定制；减少材料浪费，提高材料利用率。但其也存在一些局限性，例如制造精度相对较低，一般在±0.1 - ±0.5mm 之间；表面质量较差，存在台阶效应、表面粗糙度较高等问题；生产效率相对较低，尤其是对于大型零件的制造。

三、增材制造与传统加工工艺结合的复合制造模式

（一）顺序式复合制造

顺序式复合制造是指先采用增材制造技术制造出零件的大致形状，然后利用传统加工工艺进行后续的精加工，以提高零件的尺寸精度和表面质量。例如，在制造航空发动机的复杂叶片时，首先使用选择性激光熔化（SLM）技术将金属粉末逐层熔化堆积，制造出叶片的基本形状，然后通过数控铣削、磨削等传统加工工艺对叶片的型面、缘板等部位进行精确加工，使其达到设计要求的精度和表面质量。这种模式充分发挥了增材制造在复杂形状制造方面的优势，以及传统加工工艺在精度和表面质量控制方面的优势。

（二）并行式复合制造

并行式复合制造是在同一设备或同一制造过程中，同时运用增材制造和传统加工工艺。一些先进的复合加工机床集成了增材制造模块和传统切削加工模块，在加工过程中，根据零件的结构特点和加工要求，可以交替使用增材制造和切削加工。例如，在制造模具时，对于模具的复杂型腔部分，可以采用增材制造技术进行快速成型，而对于模具的外形轮廓、安装面等部位，则利用传统切削加工进行精确加工，实现两种工艺的并行操作，提高制造效率和质量。

四、复合制造技术的应用案例

（一）航空航天领域

在航空航天领域，对零件的性能和质量要求极高，同时零件的结构也越来越复杂。例如，航空发动机的涡轮叶片，其内部具有复杂的冷却通道结构，传统加工工艺难以制造。采用复合制造技术，先通过选择性激光熔化（SLM）技术制造出带有冷却通道的叶片毛坯，然后利用精密磨削和电解加工等传统工艺对叶片表面进行精加工，不仅能够满足叶片复杂结构的制造要求，还能保证其尺寸精度和表面质量，提高叶片的散热性能和使用寿命，从而提升航空发动机的整体性能 。此外，在航空航天零部件的修复方面，复合制造技术也发挥了重要作用。对于一些受损的零部件，可以利用增材制造技术进行材料的添加修复，再通过传统加工工艺恢复其尺寸精度和表面质量，降低维修成本，缩短维修周期。

（二）汽车制造领域

汽车制造行业对零部件的生产效率和成本控制要求较高。复合制造技术在汽车零部件制造中得到了广泛应用。例如，汽车发动机缸体的制造，传统铸造工艺生产的缸体在结构优化和轻量化方面存在一定局限。采用复合制造技术，先利用增材制造技术制造出具有优化结构的缸体原型，进行性能测试和改进后，再通过传统铸造工艺进行批量生产。同时，在汽车模具制造中，复合制造技术可以快速制造出具有复杂型面的模具，通过传统加工工艺进行精度提升，提高模具的制造效率和质量，缩短汽车新产品的研发周期。

五、复合制造技术的关键技术

（一）工艺规划与优化技术

复合制造涉及多种制造工艺的组合，合理的工艺规划与优化是确保制造质量和效率的关键。需要根据零件的结构特点、性能要求以及各种制造工艺的优缺点，制定科学的工艺路线。例如，确定增材制造和传统加工工艺的先后顺序、加工参数的选择等。同时，利用计算机仿真技术对制造过程进行模拟分析，优化工艺方案，提前预测可能出现的问题并进行改进。

（二）材料兼容性技术

增材制造和传统加工工艺所使用的材料在性能和加工特性上存在差异，实现两种工艺结合时材料的兼容性至关重要。需要研究不同材料在复合制造过程中的物理和化学变化，确保材料在增材制造和后续传统加工过程中性能稳定，不会出现裂纹、变形等问题。例如，在金属材料的复合制造中，要考虑增材制造过程中的热影响区对传统加工性能的影响，以及不同加工工艺对材料力学性能的影响。

（三）设备集成与控制技术

复合制造需要将增材制造设备和传统加工设备进行集成，实现设备之间的协同工作。这就要求开发先进的设备控制系统，能够精确控制增材制造和传统加工的各个环节，保证加工精度和生产效率。例如，在并行式复合制造设备中，需要实现增材制造模块和切削加工模块的精确切换和联动控制，确保加工过程的连续性和稳定性。

六、复合制造技术面临的挑战

（一）技术标准与规范缺失

目前，复合制造技术尚处于发展阶段，缺乏统一的技术标准和规范。不同企业和研究机构在复合制造工艺、质量控制等方面存在差异，这给产品的质量检测、验收以及行业的推广应用带来了困难。因此，急需建立完善的复合制造技术标准体系，规范制造过程和质量评价方法。

（二）成本较高

复合制造技术涉及多种先进设备和工艺，设备的购置、维护成本较高，同时对操作人员的技术水平要求也较高，需要进行大量的培训。此外，由于工艺的复杂性，制造过程中的材料消耗和能源消耗也相对较大，导致产品的制造成本居高不下，限制了复合制造技术在一些对成本敏感领域的应用。

（三）人才短缺

复合制造技术是一门交叉学科，需要掌握增材制造、传统加工工艺、材料科学、计算机技术等多方面知识的复合型人才。然而，目前相关领域的人才培养体系尚不完善，专业人才短缺，难以满足行业快速发展的需求。

七、结论

增材制造与传统加工工艺结合的复合制造技术具有显著的优势和广阔的应用前景。通过多种复合制造模式，能够充分发挥两种制造技术的长处，满足不同领域对零件制造的多样化需求。在航空航天、汽车制造、模具制造等领域的应用案例表明，复合制造技术可以提高产品质量、缩短生产周期、降低成本。然而，复合制造技术目前仍面临技术标准缺失、成本较高、人才短缺等挑战。未来，随着智能化、多学科融合和绿色制造等趋势的发展，复合制造技术将不断完善和创新，为制造业的高质量发展提供更强大的技术支撑。

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