（華中科技大學(xué)材料成形與模具技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430074）

增材制造（Additive manufacturing，AM）技術(shù)，又稱為3D打?。═hreedimension printing，3DP）技術(shù)，是一種以數(shù)字模型為基礎(chǔ)，將材料逐層堆積制造出實(shí)體的新興制造技術(shù)，體現(xiàn)了信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與先進(jìn)材料技術(shù)、數(shù)字制造技術(shù)的密切結(jié)合，涵蓋了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（Computer-aided design，CAD）、計(jì)算機(jī)輔助制造（Computeraided manufacturing，CAM）、計(jì)算機(jī)數(shù)字控制（Computerized numerical control，CNC）等數(shù)字化制造領(lǐng)域，更是先進(jìn)制造技術(shù)（Advanced manufacturing technology）的重要組成部分。相對(duì)于傳統(tǒng)材料去除類型的“減材制造”工藝（如：切、削等）以及直接材料成形的“等材制造”工藝（如：鑄造、鍛壓等），增材制造技術(shù)是一種“自下而上”材料累加的制造過程。

金屬增材制造是相對(duì)于非金屬增材制造而言的，是借助于激光、電子束、電弧等作為能量源，并按照逐點(diǎn)、逐域、逐層的成形方式，將金屬材料（粉末、絲材、片狀等形式）形成致密的金屬零部件的多種增材制造工藝的統(tǒng)稱[1]，被譽(yù)為一種低成本、短周期、設(shè)計(jì)制造一體化的變革性制造技術(shù)[2]。金屬增材制造在制造形狀復(fù)雜、材料昂貴的金屬零部件和小批量定制生產(chǎn)方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，是最有潛力的增材制造技術(shù)，也是先進(jìn)制造技術(shù)的重要發(fā)展方向，在航空航天、汽車行業(yè)以及國防等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[3-4]。金屬材料由于其高硬度、高強(qiáng)度、高熔點(diǎn)等特性，決定了金屬增材制造過程是一個(gè)多尺度多物理場(chǎng)耦合問題，包括復(fù)雜的傳熱傳質(zhì)、相變和材料微觀組織演化等物理現(xiàn)象[5]，涉及宏觀尺度上的零件成形溫度場(chǎng)和熱致變形力學(xué)、介觀尺度上熔池?zé)嶂铝鲃?dòng)力學(xué)、微觀尺度上熔池內(nèi)的晶粒生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)[6]，從而有更復(fù)雜的工藝條件和更多的技術(shù)壁壘要突破，因此發(fā)展受到了限制，同時(shí)獲得了廣泛的關(guān)注。而金屬增材制造數(shù)據(jù)處理與工藝規(guī)劃是整個(gè)金屬增材制造技術(shù)的核心，目前尚存在處理效率不夠高、工藝規(guī)劃不夠智能和復(fù)雜結(jié)構(gòu)難處理等問題，為了滿足金屬增材制造在航天航空等高端制造領(lǐng)域日益發(fā)展的更高要求，面向復(fù)雜大尺寸模型的金屬增材制造高效數(shù)據(jù)處理與新型工藝規(guī)劃方法研究具有重要的理論和實(shí)際意義。根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）與美國材料與測(cè)試協(xié)會(huì)（American Society for Testing and Materials，ASTM）共同制定的增材制造標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，金屬增材制造技術(shù)大致可以歸為兩類[7]：一類是粉末床融合（Power bed fusion，PBF），另一類是定向能量沉積（Directed energy deposition，DED）。根據(jù)能量源類型、金屬材料類型等因素，上述金屬增材制造工藝類型還可進(jìn)一步細(xì)分，如PBF類型可分為激光選區(qū)熔融（Selective laser melting，SLM）[8]、電子束熔化成形（Electron beam melting，EBM）[9]等工藝，DED類型可分為激光近凈成形（Laser engineered net Shaping，LENS）[10-11]、電子束熔絲沉積（Electron beam deposition，EBD）[12]以及電弧增材制造（Wire arc additive manufacture，WAAM）[13-14]等工藝。需要注意的是，上述兩類PBF 和DED 增材制造工藝屬于直接金屬增材制造工藝，即通過增材制造軟件控制增材制造設(shè)備，從而直接將金屬材料成形為金屬零部件，不需要其他中間環(huán)節(jié)。與直接金屬增材制造工藝相對(duì)應(yīng)，另一類則稱為間接金屬增材制造工藝，如3DP[15]工藝常常用于金屬鑄造領(lǐng)域的砂芯成形，超聲波增材制造（Ultrasonic additive manufacturing，UAM）[16]工藝用于金屬板材的堆疊成形等。

金屬支撐生成方法概述

支撐結(jié)構(gòu)在金屬增材制造技術(shù)中起著非常關(guān)鍵的作用，一方面需要支撐起零部件模型的懸垂區(qū)域，并將成形的金屬零部件錨定到基板之上，避免成形過程中由于重力以及外部作用力（如SLM 中鋪粉棍移動(dòng)等）而引起金屬零部件加工失??；另一方面則是起到熱傳導(dǎo)作用，將成形過程中的金屬零部件積累的熱量傳導(dǎo)出去，避免由于熱應(yīng)力、殘余應(yīng)力而引起的翹曲變形、裂紋等。圖1[17]展示了對(duì)于具有懸垂區(qū)域特征的金屬零部件在沒有添加支撐結(jié)構(gòu)情況下的成形效果。在金屬支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，研究有效的支撐結(jié)構(gòu)生成方法來應(yīng)對(duì)并解決加工制造中的問題是金屬增材制造工藝優(yōu)化中不可或缺的一環(huán)。

當(dāng)前，應(yīng)用于金屬增材制造工藝的支撐結(jié)構(gòu)類型多種多樣，按照支撐結(jié)構(gòu)形態(tài)，可以將這些支撐結(jié)構(gòu)劃分為以下幾類[18]：點(diǎn)狀支撐、柱狀支撐[19-20]、塊狀支撐[21]、網(wǎng)狀支撐[22-23]、環(huán)狀支撐、線狀支撐等，如圖2[18]所示。

圖1 具有懸垂區(qū)域特征金屬零部件在SLM 工藝下的成形結(jié)果Fig.1 Forming results of metal parts with overhanging area under SLM process

圖2 不同類型支撐結(jié)構(gòu)應(yīng)用于金屬增材制造工藝成形效果Fig.2 Forming effect of different types of support structures applied to metal additive manufacturing processes

由于這類支撐結(jié)構(gòu)生成方法并不復(fù)雜，在當(dāng)前的增材制造CAD 軟件（如Magics、3DXpert 等）、增材制造CAM 軟件（如Cura、Kisslicer、Slic3r、IceSL 等）以及支撐設(shè)計(jì)專用軟件（如E-Stage 等）中都能夠提供支持。最近幾年，也有相關(guān)研究人員探索將點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)、晶胞單元等填充類型作為打印模型的支撐結(jié)構(gòu)。Hussein 等[24]提供了將具有較低體積分?jǐn)?shù)的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)創(chuàng)新應(yīng)用于金屬支撐結(jié)構(gòu)的高效設(shè)計(jì)生成方法，從而降低了金屬增材制造的材料消耗，縮短了增材制造的成形加工時(shí)間，該支撐結(jié)構(gòu)成形結(jié)果如圖3[24]所示。Strano 等[25]則提出了一種將3D 隱式函數(shù)用于以晶胞為支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)生成方法，并應(yīng)用于金屬增材制造工藝。Lu 等[26]提出了一種內(nèi)部結(jié)構(gòu)掏空優(yōu)化方法，采用非規(guī)則的蜂窩狀結(jié)構(gòu)作為內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)來提高模型實(shí)體的外部抗沖擊壓力。Vanek 等[27]提出了一種基于桁架單元生成的橋形支撐結(jié)構(gòu)，從而確保所生成的支撐結(jié)構(gòu)具有更少的材料消耗以及較為穩(wěn)定的支撐效果，該橋形支撐結(jié)構(gòu)可以通過IceSL 軟件獲取。Zhang 等[28]提出了一種基于局部質(zhì)心的樹形支撐層次化生成方法，確保了樹形支撐結(jié)構(gòu)具有較高的生成效率、較優(yōu)的支撐結(jié)構(gòu)形態(tài)以及較為穩(wěn)定的支撐效果。該樹形支撐結(jié)構(gòu)可以通過華中科技大學(xué)快速制造中心研發(fā)的增材制造模型處理軟件HUST 3D Print Maser 獲取，此外在Meshmixer 軟件中也能提供樹形支撐結(jié)構(gòu)的生成。

在某些金屬增材制造應(yīng)用中，對(duì)于具有不容易介入特征（如孔洞、管道、腔體等）的金屬零部件而言，添加金屬支撐結(jié)構(gòu)并不是最優(yōu)選擇，一方面新添加的支撐結(jié)構(gòu)增加了后處理去除支撐的工作量，另一方面去除支撐后的金屬零部件往往具有粗糙的表面特征，從而降低了金屬零部件的性能，因此研究無支撐的金屬增材制造方法是解決上述問題的潛在解決方案。VELO 公司研發(fā)了一種無需添加支撐結(jié)構(gòu)的金屬增材制造軟件VELO3D[29]，通過模擬仿真、閉環(huán)熔池能量控制以及無接觸刮刀設(shè)計(jì)等方式，在金屬增材制造工藝應(yīng)用中能夠?qū)崿F(xiàn)具有懸垂特征以及不容易介入特征的金屬零部件直接成形制造，而不需要添加支撐結(jié)構(gòu)。EOS 公司對(duì)金屬增材制造工藝中無支撐結(jié)構(gòu)優(yōu)化也有較深的研究，提出了一種無接觸的支撐包套設(shè)計(jì)，如圖4[30]所示。

圖3 點(diǎn)陣支撐結(jié)構(gòu)成形結(jié)果Fig.3 Forming result of lattice support structure

圖4 EOS 公司設(shè)計(jì)開發(fā)的一種無支撐堆疊包套設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)Fig.4 An unsupported stacking package structure designed and developed by EOS Company

總的來說，支撐生成技術(shù)是目前金屬增材制造數(shù)據(jù)處理中的一個(gè)至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，直接關(guān)系著增材制造數(shù)據(jù)處理效率、模型成形加工效率、成形實(shí)體的質(zhì)量以及加工制造的成本。隨著金屬增材制造技術(shù)在航天航空等領(lǐng)域的深入應(yīng)用，需要解決如何高效生成金屬支撐結(jié)構(gòu)以及支撐結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的問題。目前，各種類型的支撐提供軟件往往是閉源的，雖然基本解決了支撐結(jié)構(gòu)生成的問題，但面向復(fù)雜大尺寸模型的支撐高效生成與結(jié)構(gòu)優(yōu)化仍有待解決。另外，無支撐設(shè)計(jì)作為一種新的結(jié)構(gòu)優(yōu)化思路也是當(dāng)前支撐設(shè)計(jì)生成領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

模型切片方法概述

模型切片是增材制造CAM 軟件中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，因此多種金屬增材制造軟件都能提供相應(yīng)的切片模塊支持。通過模型切片處理，可實(shí)現(xiàn)將金屬零部件模型進(jìn)行離散。目前應(yīng)用最為廣泛的模型切片方法是基于平面的離散處理，典型的是“平面切片方法”和“自適應(yīng)切片方法”。對(duì)于某些特殊應(yīng)用的增材制造工藝，又逐漸衍生出了非平面的模型切片方法，即“模型曲面切片方法”。

1 平面切片方法

由于STL 文件一直作為增材制造技術(shù)的事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)文件格式，因而當(dāng)前針對(duì)模型切片方法的研究幾乎都是基于STL 文件展開的。如Zhang 等[31]根據(jù)切平面和三角面片的空間位置關(guān)系構(gòu)建面表數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，然后求取交線段，得到輪廓切片數(shù)據(jù)；馬良等[32]根據(jù)建立的三角面片之間的局部拓?fù)潢P(guān)系，實(shí)現(xiàn)了基于STL 文件動(dòng)態(tài)拓?fù)渲亟ǖ目焖偾衅惴?。王春香等[33]提出了對(duì)模型三次排序的方法，實(shí)現(xiàn)了在每層求交計(jì)算僅僅與當(dāng)前層的三角面片進(jìn)行處理，并運(yùn)用Trioutline 函數(shù)直接獲取交線與交點(diǎn)，從而縮短了模型切片處理時(shí)間，節(jié)約了內(nèi)存空間，提高了三維模型切片處理效率。此外，針對(duì)含有裂縫等錯(cuò)誤信息的STL模型切片問題，Huang 等[34]提出了一種容錯(cuò)模型切片方法，通過在模型拓?fù)渲貥?gòu)階段對(duì)孔洞建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模型，能夠直接從含有空洞的STL模型中生成正確的切片結(jié)果，提高了模型切片方法的魯棒性。

對(duì)于含有復(fù)雜結(jié)構(gòu)特征（如多孔晶格結(jié)構(gòu)等）的三維模型，當(dāng)通過三維建模軟件創(chuàng)建后，往往需要再次轉(zhuǎn)化為STL 文件格式，極易造成相應(yīng)的STL模型文件的數(shù)據(jù)膨脹問題，降低增材制造模型切片的數(shù)據(jù)處理效率。為了解決上述問題，其中一類研究人員致力于研究更加高效的模型切片方法，如Lefebvre 等[35]提出了一種基于GPU 來加速CSG模型的切片方法。馬旭龍等[36]提出了一種基于OpenMP 架構(gòu)的數(shù)據(jù)并行的模型分層方法，通過把STL 數(shù)據(jù)分成多組，并在每組內(nèi)進(jìn)行拓?fù)潢P(guān)系重建，然后利用多核CPU的并行計(jì)算優(yōu)勢(shì)來加速模型切片處理過程。此后又提出了一種基于流水線模式的并行切片方法，如圖5[37]所示，證明了基于流水線的并行切片方法優(yōu)于數(shù)據(jù)并行計(jì)算方法。Zhang 等[38]提出了一種基于區(qū)域的網(wǎng)格模型切片方法，通過降低每個(gè)子區(qū)域的三角面片的數(shù)據(jù)規(guī)模，提高基于區(qū)域分割的切片輪廓的處理效率，如圖6[38]所示，由于每個(gè)子區(qū)域的三角面片切片處理互不相關(guān)，因此該方法非常適合并行處理。

另一類研究人員則致力于研究基于三維造型原始數(shù)據(jù)格式的模型切片方法，從而繞開STL模型復(fù)雜耗時(shí)的轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)，提高模型切片的效率以及切片精度。如Starly 等[39]等采用光線投射的方式直接獲得STEP模型的包圍盒交叉點(diǎn)，然后通過求解NURBS 方程得到切平面與曲線的交點(diǎn)，從而獲得精確的切片輪廓數(shù)據(jù)。Sikder 等[40]研究了一種直接針對(duì)IGES模型數(shù)據(jù)進(jìn)行切片的方法，提出了適用于非均勻有理B 樣條（NURBS）的快速切片技術(shù)，該技術(shù)采用誤差函數(shù)定義總輪廓誤差，通過使誤差函數(shù)最小化的方式來獲取最佳的切片數(shù)據(jù)。最近，來自美國西雅圖的軟件開發(fā)商Dyndrite Corporation研發(fā)了基于GPU的原生幾何建模引擎Dyndrite Kernel，以及基于該內(nèi)核引擎的增材制造軟件Dyndrite Additive Toolkit，通過對(duì)原生建模數(shù)據(jù)（如樣條曲線等）的直接支持，可以直接處理CAD 建模文件，并通過維護(hù)原始建模數(shù)據(jù)來驅(qū)動(dòng)整個(gè)增材制造的模型數(shù)據(jù)處理流程，從而簡(jiǎn)化傳統(tǒng)的直接基于STL 文件數(shù)據(jù)處理流程，同時(shí)提高了基于STL模型數(shù)據(jù)處理的精準(zhǔn)度和輸出質(zhì)量。

圖5 流水線并行切片算法Fig.5 Pipeline parallel slicing algorithm

圖6 基于區(qū)域的快速分割切片方法Fig.6 Region-based fast segmentation and slicing method

2 自適應(yīng)切片方法

由于常規(guī)平面切片方法存在固有的“臺(tái)階效應(yīng)”缺陷，從而降低了金屬增材制造成形零部件的表面光潔度，如圖7（a）所示。盡管可通過減少分層厚度的方式來減少常規(guī)平面切片方法的“臺(tái)階效應(yīng)”，然而過于精細(xì)的分層厚度往往導(dǎo)致三維模型的成形效率降低。由此，自適應(yīng)切片方法被提出，以平衡解決常規(guī)平面切片方法中的成形效率與成形質(zhì)量相互制約的問題?；谧赃m應(yīng)分層方法中的自適應(yīng)方式，可將其劃分為以下兩類：一類是根據(jù)三維模型的表面細(xì)節(jié)特征采用自適應(yīng)分層厚度的方式實(shí)現(xiàn)[41]，如圖7（b）所示。林潔瓊等[42]依據(jù)三維模型成形過程中的正、負(fù)偏差原理實(shí)現(xiàn)了一種在用戶允許最大弦高范圍內(nèi)設(shè)定切片厚度從而實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)切片的方法。Zhao等[43]通過把相鄰層投影到平面上比較兩者的面積確定一個(gè)偏差比的參數(shù)，完成了切片厚度的自適應(yīng)調(diào)整。另一類是根據(jù)三維模型的幾何特征，采用基于區(qū)域的變層厚切片方法實(shí)現(xiàn)，如張李超等[44]提出了一種用于增材制造技術(shù)的自適應(yīng)分層方法，通過設(shè)置主層厚和次層厚的方法，在模型切片處理中既保留了基于區(qū)域的模型切片特征，又保留了基于層厚的自適應(yīng)模型切片特征，極大提高了增材制造的效率，如圖7（c）所示。

圖7 自適應(yīng)切片方法示意圖Fig.7 Schematic diagrams of adaptive slicing methods

圖8 適用于金屬電弧增材制造的曲面切片及路徑規(guī)劃實(shí)例Fig.8 Example of curved surface slicing and path planning suitable for metal arc additive manufacturing

3 曲面切片方法

為突破傳統(tǒng)金屬增材制造必須基于平面分層制造的局限，一些金屬增材制造工藝需要借助于曲面切片方法以實(shí)現(xiàn)曲面成形制造，如WAAM 工藝、LENS 工藝等。一方面可以借助金屬材料形成過程中的表面張力實(shí)現(xiàn)無支撐加工制造，另一方面可以增強(qiáng)成形的金屬零部件性能。如Alsharhan 等[45]提出了一種基于非平面增材制造過程的擠出成形方法，通過從輸入的曲面方程模型中逐層獲取曲面成形路徑數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)基于曲面的增材制造成形制造。Singamneni 等[46]提出一種曲面分層方法，將成形絲材沿著曲線路徑而不是平面路徑堆積，利用自由曲面的數(shù)學(xué)表達(dá)，通過將每一點(diǎn)沿曲面法線偏移一定的切片厚度，從而得到曲面層切片，如圖8[46]所示。Huang 等[47]采用基于零件表面點(diǎn)云數(shù)據(jù)的矢量叉乘方法，將自適應(yīng)分層和曲面分層結(jié)合在一起，同時(shí)考慮了針對(duì)自適應(yīng)分層的面片角度和殘余高度，從而可以直接獲取三維模型的曲面分層結(jié)果，如圖9所示。

模型切片處理流程作為整個(gè)金屬增材制造“數(shù)字模型降維離散”過程的第一階段，主要解決模型的離散分層問題，獲得輪廓數(shù)據(jù)，并作為后續(xù)路徑規(guī)劃模塊的輸入數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)的模型平面切片研究已經(jīng)較為成熟，目前需要解決的問題集中在面向復(fù)雜大尺寸模型的高效切片、緩解“臺(tái)階效應(yīng)”的自適應(yīng)智能切片和突破平面限制的曲面切片研究上，以滿足金屬增材制造對(duì)數(shù)據(jù)處理效率和成形質(zhì)量越來越高的需求。

路徑規(guī)劃方法概述

由于路徑規(guī)劃策略與增材制造成形過程密切相關(guān)，通過路徑規(guī)劃環(huán)節(jié)來調(diào)控金屬增材制造的成形質(zhì)量是金屬增材制造工藝優(yōu)化的另一個(gè)研究?jī)?nèi)容。為了提高成形金屬零部件的性能，減少熱應(yīng)力以及殘余應(yīng)力對(duì)金屬零部件的影響，以及提高增材制造加工效率，在金屬增材制造CAM 軟件中需要研究更加合理的路徑規(guī)劃方法。

傳統(tǒng)路徑規(guī)劃主要基于模型切片處理之后，在獲取的切片輪廓數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上逐層進(jìn)行路徑規(guī)劃，主要有光柵掃描和螺旋掃描兩類。其中光柵式掃描可以歸納為兩種，圖10（a）中，相鄰掃描線的起始點(diǎn)在不同的兩端，雖然掃描線之間也是通過空跳連接但是這樣可以減少空跳的距離；圖10（b）中，掃描線的起點(diǎn)始終在同一端，相鄰掃描線之間是通過空跳連接，所以需要跳轉(zhuǎn)較大的距離。連貫的光柵掃描在遇到孔洞的截面時(shí)，需要關(guān)閉激光，因而存在空跳，影響加工效率。在此基礎(chǔ)上出現(xiàn)了一種改進(jìn)的光柵分區(qū)掃描方式，圖10（c）中，在掃描過程中遇到孔洞時(shí)，會(huì)存在大量的空跳，圖中虛線為空跳；而圖10（d）中掃描線避開了孔洞，通過對(duì)截面進(jìn)行分區(qū)掃描，每一個(gè)分區(qū)內(nèi)部除減少空跳外，具有和連貫掃描相同的其他優(yōu)缺點(diǎn)。

圖10 常規(guī)路徑規(guī)劃方法示意圖Fig.10 Schematic diagrams of conventional path planning methods

為了提高金屬零部件的表面精度，在金屬增材制造工藝中應(yīng)用了螺旋式掃描路徑規(guī)劃方法，相應(yīng)的掃描線由模型切片輪廓環(huán)的一系列等距偏置線構(gòu)成，如圖10（e）所示。如Yang 等[48]提出了基于模型單層輪廓的等距偏置路徑規(guī)劃，切片輪廓向內(nèi)均勻偏置形成填充路徑，但是這種方法在處理復(fù)雜圖形時(shí)效率不高且容易發(fā)生偏置路徑重疊，歧義情況較多且不易處理。由于輪廓線在偏置過程中是逐漸向內(nèi)等距收縮，對(duì)于不規(guī)則的圖形可能會(huì)出現(xiàn)圖10（f）的自交現(xiàn)象。呂鵬輝[49]提出了一種基于Voronoi 圖的多邊形路徑填充算法，能夠直接獲取三維模型切片輪廓的漸進(jìn)填充掃描線。

在SLM 等金屬增材制造工藝應(yīng)用中，最典型的是采用分塊掃描路徑規(guī)劃方法，通過將模型的切片輪廓區(qū)域進(jìn)一步劃分為若干的成形區(qū)域子塊，然后采用光柵掃描等方式分別來填充掃描每個(gè)子塊，通過這樣的路徑規(guī)劃方法，能夠有效降低金屬增材制造中成形零部件的熱應(yīng)力以及殘余應(yīng)力，提高成形金屬零部件的加工質(zhì)量。圖11為華中科技大學(xué)快速制造中心研發(fā)的HUST 3D Print Master 軟件提供的實(shí)時(shí)路徑規(guī)劃方法執(zhí)行結(jié)果，能夠根據(jù)不同子塊的能場(chǎng)分布動(dòng)態(tài)調(diào)控相應(yīng)的激光掃描功率，如圖12所示，從而降低成形零部件表面的熱應(yīng)力以及殘余應(yīng)力，提高成形質(zhì)量。

圖11 HUST 3D Print Master 軟件中實(shí)時(shí)路徑規(guī)劃方法Fig.11 Real-time path planning method in HUST 3D Print Master software

隨著金屬增材制造技術(shù)對(duì)成形零部件的成形質(zhì)量以及成形效率的要求越來越高，研究人員提出了各種各樣的新型路徑規(guī)劃方法。如針對(duì)WAAM 工藝，Ding 等[50]提出了一種減少內(nèi)部空隙的中軸轉(zhuǎn)換（MAT）路徑規(guī)劃方法，如圖13（a）[50]所示，隨后又提出了一種自適應(yīng)實(shí)時(shí)可變寬路徑規(guī)劃方法，如圖13（b）[51]所示，來進(jìn)一步提高金屬零部件的成形精度和效率。李子健[52]提出了一種固定可變寬度路徑規(guī)劃方法，通過在不同區(qū)域設(shè)定不同的沉積寬度，達(dá)到更高的填充率。曲面路徑規(guī)劃是近年來發(fā)展起來的較為新穎的路徑規(guī)劃方法。Dai 等[53]研究了一種多軸機(jī)器人增材制造系統(tǒng)，基于體素模型思想，在得到的曲面層上運(yùn)用費(fèi)馬輪旋曲線進(jìn)行路徑規(guī)劃，從而達(dá)到無支撐的直接增材加工制造。

路徑規(guī)劃處理流程作為整個(gè)金屬增材制造“數(shù)字模型降維離散”過程的第2階段，主要在所獲取的切片輪廓數(shù)據(jù)內(nèi)，按照不同的金屬增材制造工藝成形原理，生成相應(yīng)的加工路徑，為后續(xù)控制制造過程提供加工路徑數(shù)據(jù)。常規(guī)的路徑規(guī)劃方法研究相對(duì)飽和，當(dāng)前研究熱點(diǎn)主要是針對(duì)加工效率、金屬制件精度及兩者兼顧的新型路徑規(guī)劃方法，如何高效、健壯地生成金屬增材制造加工路徑并優(yōu)化以提高成形質(zhì)量和效率仍是亟需解決的問題。

圖13 WAAM 工藝中新型路徑規(guī)劃方法Fig.13 New path planning method in WAAM process

發(fā)展趨勢(shì)與展望

金屬增材制造技術(shù)通過高能集中熱束（激光、電子束或電弧等）逐點(diǎn)掃描-逐線搭接-逐層熔化凝固堆積材料，可實(shí)現(xiàn)三維零件制造的“近凈”成形，在航空、航天、核電和醫(yī)療等領(lǐng)域有巨大的應(yīng)用空間和發(fā)展前景。金屬增材制造數(shù)據(jù)處理與工藝規(guī)劃是整個(gè)金屬增材制造技術(shù)的核心，涵蓋了金屬零部件成形從模型前處理到制造加工全流程，因此針對(duì)數(shù)據(jù)處理流程與工藝規(guī)劃技術(shù)的優(yōu)化是突破金屬增材制造瓶頸、滿足其在航空航天等高端制造領(lǐng)域高精要求的有效技術(shù)手段。

隨著材料工藝的逐步優(yōu)化、在線監(jiān)測(cè)的普及和智能控制的發(fā)展，在金屬增材制造技術(shù)的研究與發(fā)展中，以下方向值得關(guān)注：

（1）研發(fā)面向金屬復(fù)雜點(diǎn)陣網(wǎng)格模型的設(shè)計(jì)及拓?fù)鋬?yōu)化方法，以滿足金屬增材制造技術(shù)的發(fā)展需求，匹配高端制造業(yè)對(duì)工業(yè)零件在多材料、多梯度、多結(jié)構(gòu)層面上的要求；

（2）研發(fā)金屬增材制造無支撐工藝優(yōu)化和自支撐模型設(shè)計(jì)以進(jìn)一步降低制造成本，并提高制件性能，滿足航空航天等領(lǐng)域的高層次需求；

（3）研發(fā)面向金屬復(fù)雜大型構(gòu)件的快速切片方法以滿足金屬增材制造技術(shù)的發(fā)展需求，隨形曲面切片和多核并行加速是未來的發(fā)展趨勢(shì)；

（4）研究基于模型特征、零件性能和工藝特性的金屬增材制造智能路徑規(guī)劃方法，縮短加工時(shí)間，提升制件質(zhì)量，以達(dá)到金屬增材制造工藝規(guī)劃對(duì)高效性、健壯性的要求；

（5）研發(fā)金屬增材制造工藝質(zhì)量監(jiān)控軟件，進(jìn)一步提高金屬增材制造工藝的魯棒性，從而構(gòu)建全封閉、數(shù)字化的金屬增材制造數(shù)字孿生系統(tǒng)，是金屬增材制造數(shù)據(jù)處理與工藝規(guī)劃軟件系統(tǒng)未來發(fā)展的必然趨勢(shì)。