面向航空航天结构件的增材-减材混合制造工艺路线过程级基准测试

《JOURNAL OF MANUFACTURING SYSTEMS》：Process-level benchmarking of hybrid additive-subtractive manufacturing routes for aerospace structural components

　　

研究人员针对关键航空航天构件“泡菜叉（pickle fork）”衍生产品，采用多种增材-减材混合制造工艺路线完成制备，开展了系统性基准测试研究。研究目标为评估与对比面向结构应用的新型沉积与锻造技术的工艺能力、几何精度及混合制造适用性。所选工艺涵盖电弧增材制造（WAAM）、激光定向能量沉积（DED）、激光粉末床熔融（L-PBF）、送粉式DED、搅拌摩擦增材沉积（AFSD）及敏捷锻造（Agility Forging）。以锻态316L不锈钢与6061铝合金机加工件作为基准参照。所有预制坯均按标准化混合工艺流程完成制备、结构光扫描及后续精加工，以保障基准一致性。研究结果显示，不同工艺在成形分辨率、表面完整性及余量预留方面呈现显著的过程依赖性特征，这些因素直接影响后续机加工需求与可实现的尺寸精度。基于熔融的L-PBF与激光丝材DED可制备近净形几何体，余量最小；而WAAM、AFSD及敏捷锻造受限于较低的分辨率、热变形及成形空间限制，表现出更高的材料余量。尽管存在上述差异，所有预制坯均成功完成机加工并实现与目标CAD模型的尺寸一致性，证明增材与混合工艺路线在结构件制备中的兼容性。此外，研究人员还初步评估了硬度、强度与疲劳抗力等力学性能。本研究强调了工艺选择与预制坯精度在优化混合制造工作流中的关键作用，为增材、减材及锻造工艺在航空航天构件生产中的集成提供了重要参考。

该研究发表于《JOURNAL OF MANUFACTURING SYSTEMS》，聚焦航空航天制造中增材与减材工艺融合的瓶颈问题。当前，航空业虽广泛采用增材制造（AM）以实现复杂结构轻量化与设计自由化，但熔凝过程带来的表面质量波动、尺寸精度不足及力学性能离散性，限制了其在飞行关键结构件上的直接应用。传统单一工艺难以兼顾高效率成形与高精度性能，因此混合制造——将增材成形、机加工、锻造及热处理等工序集成——成为突破方向。然而，不同增材技术（如粉末床熔融、定向能量沉积、固态增材等）在沉积机制、热输入及材料行为上存在显著差异，缺乏统一的工艺级性能对比数据，导致工艺选型与成本评估困难。为此，研究人员选取波音737NG飞机机翼-机身连接关键承力件“泡菜叉”作为基准构件，因其几何复杂、载荷路径多变且具有实际服役失效案例，能够全面反映工艺-结构-性能的耦合关系。研究通过统一后处理流程，对六种代表性工艺路线进行横向对标，旨在量化其几何保真度、机加工需求及力学性能表现，为航空航天混合制造的工艺选型与集成优化提供实证依据。

研究采用的关键技术方法包括：以316L不锈钢与6061铝合金为对象，覆盖五类增材工艺——丝材电弧增材制造（WAAM）、激光丝材定向能量沉积（wire-laser DED）、激光粉末床熔融（L-PBF）、送粉式DED、搅拌摩擦增材沉积（AFSD），以及一类新兴塑性成形工艺——敏捷锻造（Agility Forging）。所有预制坯均执行标准化流程：增材/锻造成形→结构光三维扫描（SLS）→精密数控机加工。通过有限元分析（FEA）预判应力集中区域，结合3D表面轮廓仪检测缺陷，并采用拉伸、疲劳及硬度测试评估力学性能，全程规避因设备与参数差异引入的干扰变量。

研究结果如下：

1. 1.
   混合制造泡菜叉构件：所有工艺均能制备出最终符合尺寸的构件。L-PBF因高分辨率实现最优近净成形，余量约1 mm；丝材与送粉式DED次之；WAAM与AFSD因沉积分辨率低和热变形，需预留2–3 mm余量；敏捷锻造受设备行程与运动学限制，仅能制备简化缩比件。标准化机加工有效消除了预制坯的几何偏差，验证了混合流程的兼容性。
2. 2.
   3D表面轮廓分析：固态工艺（AFSD与敏捷锻造）无熔凝缺陷，表面致密，与锻态材料相当；熔融工艺均存在孔隙，其中丝材基工艺孔隙率最高，L-PBF与送粉DED孔隙细小分散。值得注意的是，316L丝材激光DED虽表面孔隙明显，但疲劳性能最优。
3. 3.
   力学测试：铝合金构件中，WAAM与AFSD的硬度、抗拉强度及疲劳寿命均显著低于锻态6061，归因于孔隙与软化组织，需后续T6热处理优化；不锈钢构件中，多数增材工艺抗拉强度高于锻态，其中丝材激光DED疲劳寿命达约9×10⁵次循环，优于锻态的4.7×10⁵次，表明孔隙形态（细小弥散vs.粗大孤立）与分布对疲劳行为的影响超过孔隙数量本身。

结论部分指出，过程级基准测试需统筹几何精度、材料利用率与后处理需求。高分辨率工艺可减少机加工量但延长成形时间，低分辨率工艺则反之。固态增材与锻造在缺陷控制上具有优势，而熔融工艺可通过调控孔隙特征提升疲劳性能。该框架为航空航天混合制造的工艺选型、成本控制与质量保障提供了量化基础，未来将延伸至热处理优化、微观结构表征及全生命周期评估。