梁少兵，王凱，丁東紅，牛犇，陳俊孚，易江龍，郭春富

（1.佛山科學技術學院，廣東 佛山 528225；2.廣東省焊接技術研究所（廣東省中烏研究院），廣州 510650）

增材制造技術是一種采用高能束為熱源，通過材料逐層堆積，實現(xiàn)構件無模成形的數(shù)字化制造技術[1]。與傳統(tǒng)的制造方法相比，增材制造技術具有環(huán)境排放少、材料利用率高、成形效率高以及制造成本低等優(yōu)勢，在生物醫(yī)學、船舶、航空航天、模具以及汽車制造等領域的發(fā)展前景十分廣闊[2—3]。從國務院印發(fā)的《中國制造2025》、《“十三五”國家科技創(chuàng)新規(guī)劃》等相關政策文件可以反映出我國對發(fā)展增材制造技術的決心和重視程度[4—6]，同時還可以反映出我國亟需通過加快增材制造技術和裝備研發(fā)來改造提升傳統(tǒng)產業(yè)的現(xiàn)狀[7—8]。

電弧增材制造技術（Wire arc additive manufacture，WAAM）[9—10]由于其沉積率高、材料利用率高、設備成本低和環(huán)境友好性，尤其適用于大型復雜金屬部件的增材制造[11—13]，近年來受到越來越多的關注。在WAAM過程中，路徑規(guī)劃是極其重要的環(huán)節(jié)，路徑規(guī)劃是指規(guī)劃材料的堆積軌跡，將工件分層切片并在每一層切片內生成軌跡路徑。具體來說，電弧增材制造路徑規(guī)劃在離散時要先根據(jù)截面的情況選擇較為適合的掃描方式，然后在經(jīng)過大量相關計算之后得到最終的路徑規(guī)劃策略，并生成相應的路徑程序代碼。由于執(zhí)行機構在堆積過程中要按設定好的路徑逐步堆積材料直至零件成形，因此，如果填充路徑的規(guī)劃不合理，可能會導致成形件出現(xiàn)裂紋、邊緣處階梯效應明顯以及表面不平等，從而降低成形精度；填充過程中空行程過多，會降低成形效率；散熱不良、成形件內部有氣孔等，會降低組織性能[14—16]。近年來，越來越多的專家、學者意識到路徑規(guī)劃的重要性，并投身到WAAM路徑規(guī)劃的研究上來，例如，Donghong Ding等[17—18]于2015年提出了適應性更強的骨骼偏置路徑規(guī)劃方法，消除內部空缺，提高了成形零件的表面成形質量，并于2016年進一步提出了骨骼非平行偏置路徑，能夠依截面形狀而自適應地改變路徑間距（堆焊工藝參數(shù)也相應的進行自適應調整），從而實現(xiàn)變間距路徑規(guī)劃提高截面輪廓成形精度；Yuan Jin等[19]提出的局部微調整的填充策略，可以有效解決由不均勻的路徑間距和過小的拐角引起的超欠填問題，提高零件的表面成形質量；Ponche R等[20]在基于力學和工藝等方面對填充路徑進行拓撲優(yōu)化的基礎上，設計了一種不僅可以滿足基本工況要求，而且是最簡化的葉片骨架填充路徑；楊德成等[21—22]基于遺傳算法提出了一種相較于傳統(tǒng)算法各方面都有較大提升的智能子區(qū)域路徑規(guī)劃算法；美國通用電氣公司（GE）[23]正研究將增材制造技術與機器人、機器學習相結合，通過人工智能技術改善機器人性能，以更高的精度制造或修復金屬零部件。由此可知，國外WAAM 技術的研究范圍比國內的更廣且更深入一些，但總體來說，人們對WAAM的研究還是不夠深入，在成形尺寸和成形質量方面暫時還沒能達到使用的要求[24—25]，因此，在對目前常見的掃描方式進行深入研究的基礎上，對WAAM路徑規(guī)劃策略進行優(yōu)化，對提高其成形效率、表面質量和內部微觀組織性能等有重要意義[26]。

文中綜合分析了目前常用的幾種填充路徑，探討了路徑模式對成形效率、成形精度以及材料組織性能等方面的影響，經(jīng)過總結找到目前電弧增材制造路徑規(guī)劃研究中主要存在的問題，最后對WAAM進行展望。

1 WAAM常見的填充路徑

1.1 往復直線填充路徑

往復直線掃描是用平行線段對輪廓內部填充，通過平行掃描線與輪廓曲線求交，將交點按照一定規(guī)則進行連接生成路徑軌跡[27—28]，如圖1所示。往復直線掃描路徑具有算法簡單、適應性強、填充比高、成形效率高等優(yōu)點，但其缺點也是比較明顯的，噴頭在經(jīng)過掃描路徑的拐角時，其加速度和角速度均會發(fā)生比較大的變化，從而導致過堆積或欠堆積的情形出現(xiàn)[29]；對于內部有空腔或者凹陷的零件，在掃描過程中產生的空行程比較多，過多的空行程不僅會導致成形效率降低，還會出現(xiàn)嚴重的拉絲現(xiàn)象，導致成形質量降低[30]；對于截面輪廓存在曲線的零件，在填充存在曲線的輪廓時，由于掃描線的寬度是無法忽略不計的，導致由曲線組成的邊緣處形成鋸齒狀的階梯效應，這將會降低零件成形尺寸的精度和表面的成形質量。此外，選用往復直線掃描作為填充路徑時，掃描間距對成形精度有一定的影響，比如，采用固定的掃描間距生產的零件會存在一定的尺寸誤差。卞宏友等[31]提出的自適應掃描間距有利于解決采用固定掃描路徑時遇到的問題，提高零件的成形質量。

往復直線掃描算法簡單，成形效率高，但對于內部有空腔或者凹陷的零件，過多的空行程導致成形效率低和成形質量差；對于截面輪廓存在曲線的零件，在邊緣處容易形成階梯效應，成形件尺寸精度和表面成形質量差，所以往復直線掃描路徑更適合作為實心、不具有曲面特征的零件的掃描填充路徑，并且采用自適應掃描間距更有利于提高成形質量。

圖1 往復直線掃描路徑[32]Fig.1 Reciprocating linear filling path

1.2 輪廓偏置填充路徑

輪廓偏置掃描路徑是沿著截面的輪廓線向實心部分一層一層偏置（外輪廓向內偏置，內輪廓向外偏置）一個距離所得的填充路徑[32]，如圖2所示。由定義可知，輪廓偏置掃描路徑是由多個形狀與截面輪廓一致、大小不一樣的封閉多邊形組成[33]，連續(xù)不中斷的路徑可以有效減少空行程，從而提高成形效率和成形質量。此外，輪廓偏置掃描線的掃描方向是復雜多變的，可以避免材料在冷卻成形過程中內應力集中，降低殘余應力，從而降低零部件出現(xiàn)翹曲變形的概率，提高零部件的表面成形質量，這對于只有少數(shù)空腔且壁厚均勻的薄壁零件的成形更為有效，可以有效避免成形過程中出現(xiàn)翹曲變形的情況，提高成形精度[34—36]。對于截面輪廓較為復雜、壁厚不均勻以及內外輪廓距離比較近的零件，其填充路徑生成算法由于要處理的節(jié)點數(shù)據(jù)比較多，考慮內外輪廓自相交以及內外輪廓相互交錯等問題而變得復雜[37]，極有可能會導致得到不正確的偏置輪廓，還會使得處理STL模型的時長變長，不符合“快速成形”的理念[38]。程艷階等[39]提出通過判斷線段是否相交的方法來判定環(huán)是否相交；羅恒等[40]提出了一種基于直骨架的偏置算法，不僅提高了效率和表面成形質量，還解決了輪廓自相交和互相交的問題。

與往復直線掃描相比，輪廓偏置掃描可以更有效地保證成形件的表面特征，可以有效避免出現(xiàn)以往復直線掃描方式填充時所產生的階梯效應。輪廓偏置掃描路徑是由多個封閉多邊形組成的，空行程少，無需頻繁開啟與關閉噴頭，并且掃描方向是復雜多變的，能夠獲得良好的成形精度，但是，在進行偏置的時候，需要不斷確認是否有環(huán)自交或者環(huán)相交的情形出現(xiàn)，故成形效率不高。

圖2 輪廓偏置填充路徑[26]Fig.2 Offset contour filling path

1.3 分區(qū)填充路徑

分區(qū)掃描法是將具有內凹形狀的復雜截面輪廓或具有內腔的截面輪廓劃分成多個簡單的凸多邊形，然后對每個簡單的凸多邊形進行填充[41—42]，從而實現(xiàn)化繁為簡的填充方法，如圖3[47]所示。由于分區(qū)掃描法避免了填充時在內凹處或者空腔處的空行程，這可以有效減少拉絲現(xiàn)象和因應力集中所導致的翹曲變形，從而提高零件的成形精度和力學性能[43]。雖然分區(qū)掃描算法與往復直線掃描算法相比，避免了頻繁跨越空腔的問題，但對于截面輪廓復雜的待填充區(qū)域，往往需要劃分多個簡單的子區(qū)域，而在各個子區(qū)域之間的跳轉是空行程，也需要頻繁開啟與關閉噴頭。黃雪梅等[44]提出了一種分區(qū)掃描矢量生成算法，在生成掃描算法的過程中不需要對每一條掃描矢量都進行區(qū)域判斷，從而提高生成算法的效率；與此同時，優(yōu)化了區(qū)域間的銜接路徑，減少了空行程，從而提高成形效率；侯文彬等[45]提出了復雜區(qū)域分割掃描算法，通過把含有復雜內輪廓特征的截面劃分為多個可以連續(xù)不斷填充的子區(qū)間來減少空行程，并且與已經(jīng)優(yōu)化的掃描方向結合，成形效率明顯得到了提高。此外，分區(qū)掃描方式在某種程度上可以避免掃描線過長，這可以在一定程度上減少成形件出現(xiàn)翹曲變形的情況，從而使零部件的成形精度得以提高[46]。

分區(qū)掃描法是一種化繁為簡的填充方法，可以減少拉絲現(xiàn)象和因應力集中所導致的翹曲變形，但對于截面輪廓復雜的零件，子區(qū)域過多，跨越各個子區(qū)域間的時候會導致空行程和啟停次數(shù)增加。通過分區(qū)掃描算法得到的掃描線較短，可以有效減少出現(xiàn)翹曲變形的情況，提高成形精度，在實際生產中已經(jīng)得到了良好的使用效果。

圖3 分區(qū)填充路徑[47]Fig.3 Zonal filling path

1.4 分形線填充路徑

分形掃描填充法是指利用分形曲線生成填充路徑的方法[48]。由于分形掃描填充路徑是通過局部與整體相似的分形曲線生成的，因此其在截面輪廓內的規(guī)律相同、密度均勻，可以打印出表面光滑平整、材料分布均勻的分層面，并且對局部性能進行優(yōu)化可以應用到整個零件上，從而提高整個零件的成形精度和力學性能。Hilbert曲線是目前用得最多的分形曲線，如圖4所示。與輪廓偏置路徑填充法相比，通過Hilbert曲線生成的分形掃描填充路徑可以有效避免出現(xiàn)掃描線自交的情況。但是，這種填充路徑里面有大量90°拐角，噴頭在經(jīng)過90°拐角時的速度和角速度都會急劇地發(fā)生變化，從而導致大量過堆積和欠堆積的情況出現(xiàn)，并伴隨著較大的機械振動，從而使得傳動機構損耗嚴重，降低設備的實際使用壽命，還會對成形質量造成一定的影響。此外，路徑之間沒有形成連接的狀態(tài)，這將會導致成形件強度不夠。王占禮等[49]在分析已有掃描方式的基礎上，提出了基于網(wǎng)格法的Hilbert曲線的路徑掃描方法對復雜曲面進行成形規(guī)劃，根據(jù)Hilbert曲線和Hamilton回路的特點，結合待掃描層面的特征進行掃描路徑的軌跡規(guī)劃，保證了其掃描質量，生成了連續(xù)的掃描路徑。

圖4 分形線填充路徑[26]Fig.4 Hilbert filling path

往復直線填充路徑的掃描線較長，容易出現(xiàn)翹曲變形、溫度場分布不均勻等問題；輪廓偏置填充路徑由于需要不斷處理環(huán)自交問題導致成形效率低；分形掃描填充路徑是基于前面兩種路徑存在的問題提出的一種優(yōu)化路徑，可以有效解決以上幾種問題，但由于大量90°拐角的存在，不僅會導致大量過堆積和欠堆積的情況出現(xiàn)，成形質量差，而且對設備損耗嚴重。

1.5 復合式填充路徑

復合掃描填充路徑可以看作是綜合兩種或兩種以上掃描方式，可以起到優(yōu)勢互補作用的填充路徑[50]，如圖5所示。在實際生產過程中經(jīng)常會遇到有各種各樣不規(guī)則形狀截面的零件，通過綜合多種掃描方式來生成填充路徑，可以更好地保證掃描算法的生成效率、成形件的表面質量和性能。在眾多路徑生成算法中，復合式掃描路徑由于其成形精度和成形效率相對單一掃描路徑來說，更能滿足實際使用要求，已經(jīng)成為WAAM路徑規(guī)劃的研究熱點。朱傳敏等[51]提出的偏置直線復合式路徑可以保證成形質量、提高零部件的成形精度和減少出現(xiàn)翹曲變形的情況，但對于有凹陷或者空腔的零件，無法避免跨越型腔。張鴻平等[52]在偏置直線復合式路徑的基礎上，進一步提出偏置和分區(qū)掃描的混合路徑填充算法，提高了零件的表面成形質量，但殘余應力問題較為嚴重；馮廣磊等[53]在前面的基礎上提出的經(jīng)過優(yōu)化的綜合分形填充和偏置填充兩種方法的復合式填充路徑，不僅可以簡化偏置掃描算法的復雜情況，還提高了成形效率、強度和精度，但是還會有輕微的拉絲現(xiàn)象出現(xiàn)。邵坦等[54]在實驗設備與條件一致的前提下，分別以平行往復、輪廓偏置、特征分區(qū)和偏置輪廓特征分區(qū)復合路徑等填充路徑進行單層多道和多層多道堆積對比試驗，成形結果如圖6所示。實驗結果表明在相對較少的時間之內，以偏置輪廓特征分區(qū)復合路徑堆積的成形效果更好，相較于平行往復填充路徑效率更高、氣孔數(shù)更少和邊界更平滑；相較于輪廓偏置填充路徑，由于不會在同一區(qū)域內頻繁起弧與收弧，可以有效避免在構件的某一角出現(xiàn)明顯凸起的情況；相較于特征分區(qū)填充路徑，邊界處由偏置輪廓形成的包絡線可以有效控制熔池的流淌，從而使得構件的上表面更平整。

圖5 復合式填充路徑[55]Fig.5 Compound filling path

圖6 不同掃描路下堆焊實驗成形情況[54]Fig.6 Experiment forming results of surfacing under different scanning paths

對于截面輪廓復雜多樣的零件，如果僅使用單一的填充方法，那么總會出現(xiàn)一些因方法本身的局限性而無法避免的問題，成形質量難以得到保證。根據(jù)實際生產需要，選用合適的復合式掃描填充路徑有利于更好地提高成形效率、表面質量和性能。雖然目前已經(jīng)有許多相關專家、學者對復合式填充路徑進行了研究，并且證明了其可行性，但是研究還不夠深入，還存在一些有待解決的問題。

2 總結

通過分析和比較上面幾種常用的填充路徑可以發(fā)現(xiàn)，每種填充路徑都有優(yōu)缺點，適合不同種類的截面成形。目前，WAAM 一般只是選用某一種掃描路徑和成形工藝參數(shù)，但實際生產時面對的多為形狀各異且復雜的零件，單一的路徑規(guī)劃策略并不能很好地完成截面的高效率完全堆積填充。為了解決這一問題，可以使用結合多種填充方法的復合式填充路徑，取長補短，提高填充算法的通用性，且復合式填充路徑更符合實際生產的要求。此外，與激光粉末增材制造不同的是，WAAM的成形路徑間距一般為1 cm左右，這與零件的部分特征尺寸（如大型薄壁構件某些筋條的厚度等）在同一數(shù)量級，故無法忽略路徑間距與零部件形狀之間的關聯(lián)性，在規(guī)劃具體的 WAAM成形路徑時應該把截面的形狀和復雜度考慮在內。如果設置的路徑間距不合理，將會導致制件內部填充空缺或者外部過填充，從而影響零件的成形質量和成形精度，因此，把自適應路徑間距和復合式填充路徑結合起來，更能滿足實際的電弧增材制造生產要求。

3 展望

WAAM 技術是一種低能耗、高效率和可持續(xù)的綠色環(huán)保制造技術，尤其適用于大型復雜金屬部件的增材制造。經(jīng)過這段時間的研究發(fā)現(xiàn)。

1）WAAM的研究難點與熱點。隨著產品性能上的要求不斷提高和計算機輔助技術的不斷發(fā)展，產品的幾何設計變得越來越復雜，尤其在航空航天、國防、能源等高科技領域中，諸多零部件如螺旋漿葉片、航空發(fā)動機葉輪、渦輪機及燃氣輪機葉片等均具有復雜自由曲面。自由曲面相較于普通平面形狀更復雜，精度要求更高并且很難用數(shù)學表達式精確地表示出來，因此，包含自由曲面的復雜零件的高效、高精密WAAM 加工一直是制造領域中的難題，復雜自由曲面的WAAM制造方法逐漸成為精密成形工程領域內最受關注的研究熱點。

2）加快 WAAM 技術和裝備研發(fā)，大力推進制造業(yè)向自動化、智能化和綠色化方向發(fā)展是必然趨勢。盧秉恒院士指出：“增材制造對于中國制造而言非常需要，因為中國企業(yè)的制造能力往往很強，但是產品的開發(fā)能力嚴重不足，而增材制造可以為我們補足這個短板”。國務院印發(fā)的《中國制造2025》、《“十三五”國家科技創(chuàng)新規(guī)劃》等相關政策文件可以說明我國已經(jīng)把增材制造產業(yè)上升到國家戰(zhàn)略層面了。制造業(yè)向自動化、智能化和綠色化方向發(fā)展有助于我國進一步實現(xiàn)從“中國制造”向“中國創(chuàng)造”推進。

WAAM 技術在航空航天、國防、能源等高科技領域中極具發(fā)展前景。將人工智能和拓撲結構優(yōu)化與WAAM路徑規(guī)劃結合起來或許更有利于推進WAAM技術進一步發(fā)展，可以為形成完整的WAAM產業(yè)體系奠定基礎。由此可見，WAAM 技術未來的研究對象將更趨向具有復雜自由曲面的零部件，未來的研究方向很有可能會是基于引入退火算法（Simulate anneal arithmetic）、遺傳算法（Genetic algorithm）或天牛須算法（Beetle antennae search）的人工智能算法輔助路徑規(guī)劃和經(jīng)拓撲結構優(yōu)化的路徑規(guī)劃?？傮w來說，WAAM 技術的發(fā)展趨勢是實現(xiàn)大型復雜構件的自動化、智能化和綠色化制造。