顶刊综述《IMR》IF=19.56：全面回顾大规模金属增材制造的技术现状和挑战！
江苏激光联盟陈长军导读：增材制造(Additive Manufacturing, AM)，具有消除商业制造的几何约束和减少部件的交货时间来彻底重塑制造空间的潜力，特别是大型部件。将机器人系统与直接能量沉积(DED)增材制造技术相结合，可以实现零件的打印，零件尺寸可从亚米尺寸扩展到米尺寸。本文对大规模机器人增材制造进行了全面的综述，首先介绍了AM，然后介绍了不同的DED技术，兼容材料及其典型的微结构。讨论了将沉积从标准的2.5自由度(DOF)扩展到6和8自由度的多种机器人制造平台。在此背景下，讨论沉积轨迹规划的挑战。本文概述并讨论了监测和控制沉积的不同方式。包括钢、Ti、Al、Mg、Cu、Ni、Co-Cr和W合金。讨论了不同的后处理步骤，包括热处理，以及它们的微观组织。本文最后阐述了作者对该领域未来的看法，以及在机器人AM商用之前需要填补的最大知识空白。
增材制造(AM)，也称为3D打印，使用计算机辅助设计(CAD)逐层构建对象。这与传统的制造方式形成了很大的对比，传统的制造方式使用铸造、烧结或通过加工从铸锭中去除多余的材料。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没有形状限制。这允许构造复杂的几何形状，而传统的制造需要连接多个部件来创建相同的部件。几何自由度有可能减少零件的交货时间、成本(不需要铸造、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要。AM的工业应用范围从航空航天到能源部门再到医疗保健。最终的目标是在现场使用这项技术，消除更换部件的库存需求。
虽然目前也在建筑行业进行AM研究，但本文的重点是金属AM。根据ISO标准17296-2，目前存在七种工艺类别，包括光聚合、材料喷射、粘结剂喷射、粉末床熔合、材料挤压、直接能量沉积和薄片层压。金属AM系统的大部分研究和商业开发都是在粉末床熔炼(PBF)上进行的。在这些机器中，激光扫描细粉层，将其融合在一起。根据层厚，构建基板下降，然后使用滚轮或刮刀重新分配粉末，激光将新分配的粉末熔合到先前沉积的材料上。这个过程重复进行，直到部分完成。这些平台本质上限制在2.5自由度(DOF)，其中每一层都是在二维平面上打印的。
2.5 DOF的限制是需要支持结构的悬垂特征超过30-40◦，其中0◦垂直于构建板。应该注意的是，在制造缺陷开始形成之前，悬垂的程度是印刷熔融材料热物理性质的函数。这就引入了复杂的设计、规划和后处理来移除支撑，由于增加了支撑材料(废料)而增加了大量的材料成本，并且由于需要移除支撑材料而增加了劳动力成本。人们对扩大调幅系统的自由度以允许在现场操作部件产生了浓厚的兴趣。这将消除对支撑结构的需求。通过机械手和定位器的集成实现了自由度的增加(见图1)。
机械手可以容纳各种直接能量沉积(DED)方式，如气体保护金属弧焊(GMAW)、气体保护钨极弧焊(GTAW)、激光直接能量沉积(LDED)和等离子弧转移焊(PTAW)。实现多向沉积。这个描述如图1所示，其中部分的方向已经改变，以补偿悬垂角。将这些系统结合在一起，理论上可以消除使用AM制造的部件的尺寸限制。这不仅激发了能源部门的极大兴趣，还激发了航运、采矿和任何需要大规模部件的行业的浓厚兴趣。这些零件的复杂性不是由于严格的几何公差，而是受限于组件的尺寸。其中一个表现是增材和减材制造的结合，这采取了AM的自由成形性，并将其与表面光洁度相结合。
链接：
https://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/09506608.2021.1971427 /
图1：大型机器人AM制造平台的一个例子——使用金属沉积线和电弧焊系统。
图2显示了两个通过机器人AM制造的大型组件的例子。但是，他们的方法还没有发表，也不会在本工作中考虑。随着增材制造系统商业化的增加，以及增材制造零件在各种工业应用中的实施，制定标准来认证和认证从原料到成品的整个过程是至关重要的。这确保了添加剂制造部件的可重复性质量和性能，就像在商业制造空间中看到的那样。此外，重要的是，这些系统的开发符合严格的环境、健康和安全法规，目前到位。作为工程师，公众的安全是当务之急。与DED AM的资格和认证有关的规范和标准如表1所示。值得注意的是，许多这些标准仍在开发中，突出了各种标准委员会为DED AM开发严格的资质所面临的挑战。本文旨在识别最先进的技术，以及它们与大规模增材制造和这一过程所包含的跨学科工程挑战之间的关系。
图2：采用大型机器人AM技术的公司的例子
(a)由Relativity Space, Inc.制造的火箭喷嘴；
(b)由MX3D制造的串行机械手组件
对于这项工作，大型AM构成了制造体积为1立方米的部件的能力。目前的研究状况突出表明，工程学科之间缺乏合作，不同研究机构之间缺乏联系。大多数其他出版的文献综述只回顾了大型机器人AM的各种研究机构和子主题的子集，而本工作回顾了这些独立的研究发现，并试图突出它们之间的关系。这里讨论的大部分研究包括实验室规模的优惠券，而不是特别大规模的部件。
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