机器人AM进行大规模制造：技术现状和挑战（1）

江苏激光联盟导读：

摘要

通过消除商业制造的几何约束和缩短部件交付周期（尤其是大型零件），增材制造（AM）有可能完全重塑制造空间。将机器人系统与直接能量沉积（DED）增材制造技术相结合，可实现可无支持的零部件打印，零件尺寸可从亚米级扩展到多米级。

(a)发表有关各类钢的LAM的论 数目;(b)不同类别钢的LAM研究工作百分比。数据来自于2020年4月之前发表的论 。

介绍

增材制造(AM)，也被称为3D打印，使用计算机辅助设计(CAD)一层一层地构建对象。这与使用铸造、烧结或使用机加工从铸锭中去除不需要的材料的传统制造形成鲜明对比。AM仍处于起步阶段，但预计的可能性将彻底改变制造空间。与传统制造相比，AM的一个已被证明的优势是组件缺乏形状约束。这允许复杂的几何形状被构造，而传统的制造将需要连接多个零件来创建相同的零件。几何自由度有可能减少零件的交货时间、成本(不需要铸造的制造、更低的能源消耗、材料成本)、材料浪费、能源使用、碳足迹，并大幅减少后处理的需求。

L-PBF (a)和L-DED (d)工艺示意图。

在这些机器中，激光扫描一层薄薄的粉末，使其融合在一起。所述构建基板根据所述层厚度下降，并使用滚筒或刮刀重新分配粉末，然后激光将新分配的粉末熔合到先前沉积的材料上。这个过程不断重复，直到零件完成。这些平台本质上仅限于2.5自由度(DOF)，其中每一层都打印在二维平面上。在30～40°须在垂直于构造板的突出物上安装支承结构，并限制为2.5自由度。应该注意的是，在制造缺陷开始形成之前的悬垂程度是被打印的熔融材料的热物理性能的函数。这就引入了复杂的设计、规划和后处理来移除支架，由于增加了支架材料（废料）而增加了大量的材料成本，并且由于需要移除支架材料而增加了劳动力成本。

人们对扩展AM系统的自由度以允许对零件进行原位操纵越来越感兴趣。这将消除对支撑结构的需求。自由度的增加是通过机械手和定位器的集成实现的（见图1）。然后，操纵器可以容纳各种直接能量沉积（DED）方式，如气体保护金属极电弧焊（GMAW）、气体保护钨极电弧焊（GTAW）、激光直接能量沉积（LDED）和等离子弧转移焊（PTAW），从而实现多向沉积。

图1 一个使用焊丝和电弧焊接系统进行金属沉积的大型机器人AM制造平台的示例。

图1显示了这方面的描述，其中零件的方向已改变，以补偿悬垂角度。结合这些系统理论上可以消除使用AM制造的零件的尺寸限制。这不仅激发了能源部门的巨大兴趣，也激发了航运、采矿和任何需要大型零部件的行业的兴趣。这些零件的复杂性不是由于严格的几何公差，而是受到部件绝对尺寸的限制。其中一种表现形式是加法和减法制造的结合，它利用了AM的自由成形性，并将其与加工的表面光洁度能力结合起来。这就是所谓的混合制造。研究人员一直在为这些类型的系统开发路径规划程序，但由于制造时间较长，与纯AM工艺相比，这两种工艺的组合大幅增加了成本，并且不适合当前状态下的大规模应用。

目前大规模增材制造的目标是使用7轴和8轴机器人串行机械手系统，以及现场监测和控制系统，以消除减法措施和支撑结构的需要。实现这一目标的不同技术已经在其他各种应用中实现，但尚未集成到一个整体过程中。许多公司已经实现了商业大型机器人AM，包括:相对论空间，MX3D， MER公司，AML3D，和AMFG。两个例子的大规模组件制造通过机器人AM显示在图2中。然而，他们的方法尚未发表，也不会在本研究中被考虑。

图2 采用大型机器人AM技术的公司示例（a）由相对论空间公司制造的火箭喷嘴[42]和（b）由MX3D制造的串行机械手组件

随着增材制造系统商业化程度的提高，以及增材制造零件在各种工业应用中的应用，制定标准对整个过程（从原料到成品零件）进行鉴定和认证至关重要。这确保了增材制造零件的可重复质量和性能与商业制造领域中的相同。此外，重要的是，这些系统的开发必须符合现行严格的环境、健康和安全法规。作为工程师，公众安全是当务之急。表1显示了与DED AM认证和认证相关的规范和标准。应注意的是，其中许多标准仍在制定中，突出了各个标准委员会在制定严格的DED AM资格时面临的挑战。

表1 一些与增材制造有关的现有和正在开发的规范和标准。应该注意的是，这不是一个详尽的列表，但提供了正在开发的DED AM标准的幅度和广度的见解。

图3 机器人大规模金属AM流程工作流程。

第2阶段对应于沉积的监测和控制，并从各种传感器中提取有价值的信息，用于现场调整系统的运行参数。这一阶段的开发对于实现大规模AM的自动化至关重要，使其在非专业人员现场制造方面具有商业可行性，并可能消除对第3阶段的需求。一个重要的考虑因素是优化热循环，以获得零件应用所需的微观结构和相应的机械性能。

2.金属沉积技术

在大规模AM中发现的主要金属沉积技术有：金属气体保护焊（GMAW）、钨极气体保护焊（GTAW）、等离子转移焊（PTAW）和激光直接能量沉积（LDED）。图4 是详细说明。由于易于与当前的多轴系统集成，这些系统很容易被使用，或者在汽车制造业等行业的机器人系统上已经使用过。模式的一个有利特征是更高的热输入，这使得产生更高的沉积速率，从而加快了印刷过程。

这是大型AM缩短零件生产提前期的一个重要因素。然而，较高热输入的一个警告是较高的热应力和热积累，导致大量材料经历复杂的热循环和各向异性微观结构。此外，用于DED的材料原料通常是金属丝或粉末，这提供了根据局部区域的机械规格改变沉积速率和成分的能力。改变成分的范围可以从一种材料到另一种材料，或者改变金属基复合材料中增强颗粒的体积负荷。

图4 各种AM-DED技术：（a）GMAW，（b）PTAW和（c）LDED。

应该注意的是，层压AM和冷喷涂AM也能够制造大型零件。层压AM目前与多轴机器人系统不兼容，因此将其排除在考虑范围之外。冷喷涂AM与机器人系统兼容，但不具备在没有特殊设备和大量后处理的情况下制造复杂零件的能力。因此，这项工作没有考虑到这一点。

2.1.气体保护金属/钨极电弧焊

在气体保护金属极电弧焊中，在基板和自耗焊丝电极之间产生电弧，自耗焊丝电极通过焊炬供给，在焊炬中熔化并沉积在基板上。通过使用保护气体（通常是惰性气体（Ar）和活性气体（CO2）的组合）保护熔融材料免受湿气和氧化。保护气体可以改变电弧的稳定性、金属转移和焊缝的熔透，并根据所沉积的材料进行调整。当焊炬在焊缝或AM零件的几何结构中移动时，焊丝连续进给。

不同工艺参数下(a) L-PBF[90]、(b,c) L-DED和(d-f)激光焊接[83]钢的熔池形貌变化。(a)中显示的数字表示熔池对应的激光功率(W)。

自耗电极为实心焊丝或药芯焊丝，内部为粉末状，含有各种铁质和非铁质成分。电流与沉积速率成正比，但与电极延伸成反比，即导丝末端和电极尖端之间的距离，如图4（a）所示。电弧电压是电量化电弧物理长度的一种手段，可受许多因素影响，包括：电极成分和尺寸、保护气体成分、电极延伸和焊接电缆长度。就AM而言，GMAW的沉积速率取决于材料，但在15–160 g min的范围内?1。

GMAW工艺通常采用三种传统传输模式，即：喷射、球状和短路。冷金属转移（CMT）是短路的一个改进的附属装置，其中导线电极的机械运动与电气控制参数同步。短路阶段不增加电流，而是降低电流，熄灭电弧，限制转移到沉积物的热能。然后收缩电极，挤压熔融材料，将其沉积到熔池中。然后增加电流以重新点燃电弧，并重复该过程。热能传递的减少了多层沉积物中的热量积累，与连续焊接技术相比，多层沉积物具有更细的晶粒结构。这可以在图5中看到，其中较低的热输入和热积累以较细的晶粒结构为特征。

图5 AWS ER70S-6 WAAM沉积的微观结构变化，其中（a）显示具有低热量输入和低热量积累的沉积物的更细晶粒结构，以及（b）显示具有高热量输入和大量热量积累的晶粒结构。

此外，电弧脉冲已被证明切断了枝晶臂，增加了异质形核位置，进一步细化了微观结构。它还大大减少了先前沉积材料的稀释，减少了每次焊道熔化的材料量，并可能减少了热循环次数。因此，这些原因使CMT成为线材和电弧增材制造（WAAM）最可行的选择。应注意的是，尽管与连续焊接相比，热输入和热循环有所减少，但WAAM熔敷层仍然存在热积累、开裂、气孔、分层和各向异性微观结构。Dickens等人首次对AM使用GMAW进行了研究，他们试图将3D焊接领域从大型压力容器扩展到更复杂的几何形状。

钨极气体保护焊与GMAW工艺类似，但电弧是在非消耗性钨电极和工件之间产生的。填充金属可以手动或机械地送入电弧，在电弧中熔化并沉积在基板上。多个填充金属可同时进料，以提高沉积速率，并允许定制沉积材料。惰性保护气体（通常为Ar或He）保护熔体免受氧化，同时也影响焊缝几何形状。如果沉积的材料易于形成钝化膜，则系统的极性可以从直流变为交流。AM镀层的微观结构和机械性能高度依赖于材料进给方向。已经沉积的一些材料包括：TiAl、Fe–FeAl功能梯度材料、FeAl、Ti64、Al和镍合金。

GMAW和GTAW提供了一种具有成本效益的AM方法，其技术已经是普遍的工业实践。易于与机器人控制和机架系统集成，再加上高沉积速率，使得这些技术对大规模增材制造具有吸引力。然而，在使用焊接热源进行AM时存在一些复杂情况。畸变和残余应力是电弧产生的集中热流的常见副作用。不一致的焊缝几何形状可能导致较差的表面光洁度和尺寸精度。

本研究主要集中在GMAW上，据推测，这是由于将送丝系统与机器人系统集成的复杂性。在沉积期间确保进给角度恒定将增加路径规划和构建策略的难度。GTAW过程中持续的热量输入可能导致热量积累增加，导致制造缺陷，如不同特征的坍落GMAW的能力，很容易打击和扑灭电弧，增加了热控制在建造过程中，通过熄灭电弧后，让零件冷却。GTAW中的钨电极也需要频繁的锐化以保持电弧特性，从而降低大型零件的生产率。

2.2.等离子转移弧

等离子转移电弧采用非自耗钨电极，类似于GTAW中的电极；然而，如图4（b）所示，这些过程之间存在一些明显的差异。通常，有两个惰性气体入口：等离子体和保护气体。选择该工艺中使用的气体（如氩）是因为它们的电离电位较低，因此更容易在电极和基板之间形成电弧。等离子气体的流动使电弧能够自我维持，而保护气体保护熔体免受周围环境的影响。等离子体被喷嘴压缩，使电弧形状从传统的钟形变为柱状，增加了能量密度。进料材料可以是金属丝，也可以是粉末材料，允许有很大程度的成分和功能梯度部件。其中沉积速率最高的焊接工艺为33 - 166g每分钟。PTA正在探索用于增材制造的一些材料有：镍合金、镍-碳化钨、钛、功能梯度铁-镍和不锈钢合金。

2．3.激光直接能量沉积

图4(c)是一个典型的激光系统的原理图。沉积速率可达25 g /min，沉积效率随组件几何形状的变化而变化。两种热源的能量分布都呈高斯分布，最高的温度在熔体的中心。然而，当光斑直径为2mm时，激光源提供的热流高达1kw mm?2，而等离子体在16 mm直径的光斑上提供的热流高达60W mm?2。

另一个关键的区别是在激光DED期间工人必须遵守的安全预防措施。为了划弧，工件必须电接地，并且只能在一定的距离内持续。商用激光器不具备这些先决条件，这意味着它们理论上可以瞄准任何表面。此外，激光可能会被某些金属表面反射，从而破坏设施或人员。因此，必须实施适当的控制措施，以确保任何使用该设备的人的安全。

2.4.材料

在所有AM技术中，原料金属可以是金属丝或微米级粉末。粉末金属通常比金属丝贵得多，但提供的材料成分无法拉制成金属丝。这方面的一个例子是更高强度的MMC和金属间化合物，这些材料固有的脆性使其不适合电线应用。然而，送丝系统的沉积效率超过了粉末的沉积效率。此外，金属粉末的储存比金属丝需要更多的安全预防措施，更高的表面积与体积比使其更容易氧化。原料的质量至关重要，因为原料粉末中的孔隙率已被证明会大幅增加印刷件的孔隙率。金属丝原料的表面质量差和直径变化会在沉积过程中截留水分和碳氢化合物残留物，导致最终沉积物中出现孔隙。

不同加工参数下L-PBF构建316L不锈钢的SEM形貌:(a)扫描速度;(b)激光功率;(汉英)氧气水平;(f-h)层厚度;(i (k)扫描间距

参考 献：Ngo TD, Kashani A, Imbalzano G, Nguyen KT, et al.Additive manufacturing(3D printing): a review of materials, methods, applications and challenges. ComposPart B: Eng. 2018;143:172–196.，ASTM International, “Additive Manufacturing –ASTM International” p.1, 2017. [Online].Available: www.astm.org/industry/additivemanufacturing-

未完待续

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