新加坡制造技术研究所，苏州大学谭超林博士联合中国石油大学、上海交通大学、 普林斯顿大学、马耳他大学、华中科技大学（张海鸥教授）、加州大学尔湾分校、湖南大学以及EPM咨询公司于5月8日在制造领域顶级期刊《International Journal of Machine Tools and Manufacture》发表了题为“Review on field assisted metal additive manufacturing（场辅助金属增材制造综述）”的文章。这一“超级团队”阐述了当前场辅助增材制造技术的进展，揭示了场与沉积金属材料之间的相互作用机制，总结了辅助场、微观结构和力学性能之间的相关性，展望了场辅助增材制造的研究机会。

多种类型的现场辅助增材制造 (FAAM) 技术概述

场辅助增材制造

增材制造技术为加工复杂部件提供了前所未有的设计自由度和制造灵活性，它能够制造其他工艺无法制造的零件，同时最大限度地减少加工步骤。典型的金属增材制造工艺包括激光粉末床熔融（LPBF）、激光能量沉积（LDED）、电子束熔化 (EBM) 和电弧增材制造 (WAAM)等，这些技术各有其冶金特点、优势和适用范围。LPBF的构建速度较低，但在处理复杂几何形状方面具有出色的能力，例如晶格结构、先进工具（如具有随形冷却通道的模具嵌件）、定制的医疗植入物等；相比之下，LDED和WAAM具有较低的尺寸分辨率，同时沉积速率比LPBF高得多，使其适用于大型组件制造。此外，LDED和WAAM中材料进给的灵活性增加，可以在同一层内和跨层沉积多种材料，LDED中灵活的刀具路径可以修复大型自由曲面零件。

场辅助典型金属增材制造技术

因此，尽管这些技术与传统制造方法相比具有众多优势，但仍然存在一些问题和瓶颈阻碍了其大规模工业应用。例如打印适应性差的材料会存在缺陷，导致较大的柱状枝晶在各向异性机械性能、疲劳性能差。为了解决这些问题并充分发挥增材制造技术的潜力，人们研究了用于定制微观结构、创新设备和装置以及引入新概念的新方法。场辅助增材制造 (FAAM)，是一种结合不同能量场的固有优势来克服增材制造局限性的新手段。应用在增材制造工艺中的典型辅助场包括磁场、声学、机械和热场，此外还有一些新兴的技术如等离子场、电场、耦合多场作为辅助能量场。

场辅助增材制造的机理与优势

谭超林教授研究团队对当前主流的磁场、声学、机械、热场、电和等离子场辅助技术如何影响金属增材制造过程进行了审查，认为辅助场会影响熔池对流和动力学，改变材料凝固过程中的温度分布和热历史，并对沉积材料产生应力或塑性变形；详细回顾和讨论了辅助场如何对熔池动力学、凝固动力学、致密化行为、微观结构和织构、机械性能和疲劳性能产生影响；还讨论了场辅助增材制造的研究空白和进一步发展趋势的观点。

使用磁场辅助增材制造示意图

使用声场辅助增材制造示意图

使用热场辅助增材制造示意图

使用机械变形辅助增材制造示意图

这篇批判性评论为研究人员提供了有关场辅助增材制造的完整最新信息，这有助于确定每种场辅助技术的不足和优势，并提高成熟度和技术准备水平。
场辅助增材制造还有望在处理高几何复杂度组件方面具有高度灵活性，并在沉积大型或小型自由形式组件方面具有良好的可扩展性。这对过程和系统开发提出了很高的挑战，因为它要求均匀的场分布。均匀场分布的突破将提高场辅助技术的灵活性和可扩展性，并使其应用成熟和扩展。
场辅助增材制造系统的认证和商业化是另一个进展方向，因为目前的场辅助增材设备大多是实验性的，没有严格的测试和认证。实验室阶段的技术可能存在稳定性和可重复性问题，不足以处理可靠的工业产品。因此，需要严格的系统认证才能将场辅助技术商业化。同时，还需要制定和编制系统资质标准，对商业用途的资质进行指导和认证。可靠的商业设备将吸引更多的研究人员在工业应用中推进和实施场辅助技术。