现代金属智能制造技术的发展综述

张修路，张 恒，白玉龙

(1.沈阳城市学院，辽宁 沈阳 110112；2.沈阳工业大学，辽宁 沈阳 110023)

金属材料的智能制造及加工技术是当今工业发展的重要方向，我国在该方面也取得了一些不凡的成果。进入21世纪以来，我国在智能加工方面发展迅速，在许多科研的重点项目上取得了重大成果，其中就包括常见的机器人技术、控制技术、可靠性技术、机械制造工艺技术、数控技术与数字化制造、智能信息处理技术等[1]。2012年，我国发布了《智能制造装备产业 “十二五”发展规划》和《智能制造科技发展“十二五”专项规划》，并设立《智能制造装备发展专项》，以便能够更好地加快智能制造装备自主知识产权的创新发展和产业化，推动我国制造业的转型和升级。同时，该发展专项还对如何结合世界发展的趋势和未来前沿制高点进行了专项的规划。在不断努力下，成功攻克了一批前沿核心技术和共性关键技术，成功使一批智能化高端装备得以问世，并进行示范应用和产业化，为实现我国从制造大国向制造强国转变奠定技术基础[2]。

但智能制造在我国仍存在问题，比如,对智能制造基础研究能力不足，对引进的先进技术无法全面吸收；技术路线不太清晰，国家对于智能制造方面的协调管理尚且需要完善；对于一些高端制造设备与装备还需要向国外引进，对外的依赖程度较高等。

1 增材制造技术

1.1 增材制造技术的介绍

增材制造技术(Additive Manufacturing，简称AM)，俗称3D打印。该技术很好地将计算机辅助设计、材料加工与成型技术融合在了一起，然后以计算机的数字模型文件为基础，通过控制软件和自动数控系统，把专用的有色金属材料、化学金属材料、非金属材料等，按照一定的程序进行实体挤压、烧结、熔融、光固化、喷射等多种加工方式，分别进行逐层材料堆积，进而完成制造[3]。与传统的、对所用原材料加工进行批量去除、切削、组装的手工制造加工工艺方式不同，增材制造技术是采取“自下而上”的加工方式，通过针对原材料加工进行批量累加，该技术打破了传统制造方法的约束，可通过计算机辅助设计来制造更多的复杂产品，而产品也具有多样化，其成本也有一定的改善。

增材制造技术是一种泛指基于重要零部件的二次离散-三维堆积的加工原理，由重要零部件三维加工数据系统驱动直接加工生产重要零部件的一种新型科学工程技术生产系统。基于不同的迅速加工工艺模式需要进行技术分类，可以大致划分四类，分别为迅速加工原型、快捷快速成形、迅捷快速制造、3D快速打印。其中的迅速技术仍然正在不断地取得进步，外延性也在不断地被拓宽。

1.2 增材制造技术的特点

增材制造技术是基于计算机辅助设计，通过材料的自上到下的累积进行加工制造，最终形成一个实体的立式模型。增材制造技术打破了传统制造方法的约束，可通过计算机辅助设计来制造更多的复杂产品，而产品也具有多样化，其成本也有一定的改善。对于增材制造技术只需要一台机器、一个电脑便可以进行加工制造，十分方便，而且无需改动模具。在普通的制造过程中如果改动模具，对于加工来说是对成本的一个累积，新的模具无疑是最增加成本的，而增材制造解决了这一点，它无需更换甚至无需模具，这在降低成本方面得到巨大改善。并且其生产周期短，这是增材制造技术最大的优点，相对于老式制造，增材制造对所需的制造能力要求较低，其需要的操作较少、易操作，而且增材制造技术占地面积小，方便携带，即使在战场与灾区这种困难环境下，依然可以发挥其作用。同时，增材制造技术可以完美复刻3D软件上的制作模型，完成精准制造，制造后没有垃圾废料，提高了环保质量。

但是增材制造技术对原材料的要求相对较高，无法充分使用各种材料，材质紧缺已经成为了增材加工设备中最致命的一个缺点。其所采用的制造设备和机器的成本也相对传统制造较高，无法进入广大民众家庭中。目前国内外常见的增材加工设备制造和加工技术主要包括以下几种[4]：金属激光烧结技术(Direct Metal Laser-Sintering，简称 DMLS)、电子束熔融技术(Electron Beam Melting，简称 EBM)、激光选区熔化技术(Selective Laser Melting，简称SLM)、选择性激光烧结技术(Selective Laser Sintering，简称SLS)、激光立体成型技术(Laser Solid Forming，简称LSF)、电子束自由制造技术(Electron Beam Freeform Fabrication，简称EBF3)、熔融沉积成型技术(Fused Deposition Modeling，简称FDM)、光固化立体成型技术(Stereo Lithography Apparatus，简称SLA)、分层实体制造技术(Laminated Object Manufacturing，简称LOM)等。

1.3 增材制造技术的应用领域

经过20多年的探索与发展，增材制造技术已经历了一个由萌芽阶段向产业化、由原型陈列阶段到零部件直接生产与制造阶段的转变，发展非常迅猛。美国一家专门为增材加工制造技术顾问服务的机构Wohlers协会，其发布的《Wohlers Report 2020》报告被称之为3D打印的行业圣经，成为国内外3D打印从业人士参阅的宝典。该报告就各个行业在增材制造领域的应用状况做出了分析，比如在持续的新型冠状病毒全球大流行中，意大利的Isinnova公司利用增材制造技术为医院生产了许多呼吸阀。同时，在刚刚过去的几年里，航空装备零部件的制造与医疗器械的制造一直都是增材制造产品数量增长速度最高的应用场所。2020年全球增材制造收入已达158亿美元，该公司预计，2022年收入预测将攀升至239亿美元，到2024年将达到356亿美元。增材加工制造技术目前仍然处于高速发展时期，并且拥有旺盛的市场生命力。随着科学信息技术的发展，应用范围也将变得更加广阔。

2 飞秒激光技术

2.1 飞秒激光技术的介绍

飞秒是一个时间计量单位，一飞秒相当于10-15秒，也就是1/1000万亿秒。激光是指在组成化学物质的各个原子中，有不同强度和数量的粒子均匀地分布在各个能量层上，这些粒子从最初的高能层跃迁至最后的低能层上，它们就会向外辐射产生出与激发它相同性质的光[5]。

飞秒激光技术是一种以激光电磁波或激光脉冲的各种形式自由快速运转的化学激光组成，其加工持续时间非常短，且具有非常高的瞬间运动速度和加工功率。其在加工过程中，激光可以轻松地直接实现对任何一种材料的精细激光加工、修补和激光微波衍射处理，激光在极短的精细加工持续时间和极小的作用空间内与其他化学物质相互作用，作用时间范围内的激光温度在瞬间内急剧地快速上升，并以激光等离子体向外快速运动喷发的各种形式作用使其可以得到飞秒激光斑的去除。飞秒激光技术避免了传统加工中高温热融和熔化过程产生的质量问题，大幅降低和有效消除了由于传统加工过程管理中的高温热效应可能带来的许多其它负面影响。

德国汉诺威激光中心的B.N.Chickov研究小组在真空环境中放置了100mm厚的钢片，然后分别用纳秒激光与飞秒激光进行加工。经过104个脉冲照射后，对比两者的处理结果，发现有明显的不同，如图1所示。这便说明了飞秒激光的准确性与良好的工艺性。

(a)纳秒激光加工；(b)飞秒激光加工图1 纳秒激光与飞秒激光加工对比图Fig.1 Comparison of nanolaser and femtosecond laser processing

2.2 飞秒激光的主要用途

飞秒激光的主要用途可以概括为以下三个方面，即在超快领域内的应用、在超强领域内的应用和在超微细加工中的应用。飞秒激光在超快现象研究领域中起到的是一种快速过程诊断的作用。飞秒激光就像一个精细的时钟和一架超高速相机，对于自然界的原子与分子都可以快速进行分析，并且记录下来。飞秒激光在超强领域中的应用主要归因于具有一定能量的飞秒脉冲的峰值功率和光强可以非常之高，飞秒强光可用来产生X射线和其它极短波长的光进行核聚变。飞秒激光用于超微细加工是飞秒激光用于超快现象研究和超强现象研究之外的又一个飞秒激光技术的重要的应用研究领域，其对于关键工业生产有着直接的推动作用[6]。

3 超声加工技术

3.1 超声加工技术的介绍

超声加工技术是利用超声频(16kHz～25kHz)振动的工具端面冲击工作液中的悬浮磨粒，并通过它与工件之间的游离物质和液体内部中的磨料进行敲击和震荡作用，使得工件材料在物质和表面逐渐破碎而形成的一种特殊加工，其工作原理如图2所示。超声波加工通常被应用在穿孔、剪切、焊接、套材及抛光等方面[7]。

图2 超声加工技术工作原理图Fig.2 Schematic diagram of ultrasonic processing technology

其特点为：(1)由于机械振动加工方式是利用机械超声波转化为振动的机械，所以相比于各类柔韧性材料机械加工所产生的机械振动效果相对较好；(2)加工过程中，工具头和零部件间均存在着磨料上的悬浮液，当被加工的材料是为了保持薄壁上的厚度以及狭窄裂隙时，其加工效果明显，脆性越强的材料则比较容易；(3)用于超声波加工的机械头可以采用硬度较小的物质，可以做出相对复杂的形状。

相对于传统机械加工方式，超声加工也有诸多不足，例如，在超声加工中，加工速度较慢，生产效率低，在后期还需要防腐处理，因此增加了工序，同时也增加了成本；加工时工件被加工出来的破碎物不容易直接排出，当加工进行到一定深度时，工具头进给困难，容易造成加工中断、无法持续的现象[8]。

3.2 超声椭圆振动加工技术

超声波椭圆振动加工技术主要原理是，通过观察椭圆整体振动的作用超声波将其振动附加作用到各种切削加工刀具上，使得切割工件的切削刀尖高度能够与其相对于所有需要进行加工的切削工件按照其椭圆振动轨迹相反方向移动进行椭圆振动，进而不断完善切削加工材料工艺。是将先进的光学电子技术、计量控制技术、机械振动和加工原理以及加工材料流动力学等多个热门加工专业学科联合组成到一起的一门综合性加工学科。其应用方法分为熔接法、铆焊法、埋植、成型、电焊和切割封口等[9]。

熔接法是以超音波超高频率振动的焊头在适度压力下，使二块金属的接合面产生磨擦热而瞬间熔融接合，可达到水密或气密，并免除采用辅助品所带来的不便，实现高效清洁的熔接。

铆焊法是将具有特殊特性的超音波动的金属铆钉连接焊头，压着产品突出的铆钉的干端焊接梢头，使之瞬间迅速地膨胀发热，甚至融化而形成为金属铆钉的整体形状，使不同铆钉类型和各种材质的焊接工艺将铆钉紧密地焊接聚集结合到一起。

埋植是利用焊接孔与接头之间的传道及适当的焊接压力，瞬间将各种特殊金属焊接部件全部直接挤进模具预留的一个塑料孔内，固定在一定的塑料深度，完成后不管任何拉力、扭矩均能与一般传统的焊接模具在孔内相互作比较，可以有效避免焊接射出模的零件受损和模具射出缓慢的双重缺点。

成型技术工艺应用方法与传统铆焊挤压工艺相同，将一个大型凹状圆形焊头直接挤压至整个金属产品的物件外圈，焊头上面会发出高频超音波并在超高频高速振动后将整个金属产品进行加热熔融融合成形，并且由包覆于任何一种金属制品物件外圈中的弹性铝合金金属材料固定。其产品外观光滑美观，适用于各种电子产品制造、化妆品包装制造、隐形眼镜片制造等。

点焊技术是将二片金属分点进行熔接，而不必预先做好所设计的焊线，达到熔接的目的。对于一些比较大型的焊接工件，不易按照实际设计需要焊接管线的各种工件焊接要求同时进行焊接分点连续焊接，而且为了能够达到多点熔化和连续分点焊接的良好效果，可以同时使用进行多点连续焊接。

切割封口主要采用了一种超音波瞬间高频发振的快速工作运动原理，对各种化纤和纺织物面料进行了快速切割，其主要技术优点之一是刀割切口光洁不容易开裂、不容易产生拉丝[10]。

4 结论

本文通过三种先进的制造技术引出智能制造的重要性，并探讨了金属材料智能制造应用前景的广阔性。当今智能制造在航空航天、车辆工程、水利工程等方面都起到了重要的技术支持作用，未来加强对智能制造方面的协调管理，加强对智能制造的基础知识理解，研究出我国自己的制造工具，在智能制造方面做强，这样才会在未来智慧化工厂中占有一席之地。智能机器人与系统管理者实现在制造系统的协同作业，实现真正的全自动化与全智能化。

现在我国在金属智能加工技术上虽取得了一定的成果，但依然需要科技创新，对于当今这个社会工业化的环境下，金属材料智能加工的应用前景是很好的，在未来科技不断发展的过程中，金属材料智能制造的应用会更加宽广，要以实体经济为主体，大力发展科技研究。智能加工同样提高的是加工质量，产品质量的全面提升是树立品牌的前提条件，它将推动中国制造向中国智造的转型。