随着中國航空航天、艦船、軌道交通等領域關鍵金屬構件向着大型化、一體化的方向發展，增材制造技術正逐漸成為新一代高強輕質合金結構件的重要制造手段。為突破單一機器人成形效率限制，改善增材成形件的殘餘應力及組織性能，多機協同式增材制造（MCAM）逐漸成為研究熱點。
根據3D科學谷全球戰略合作夥伴-增材制造市場研究機構AMPower, 能量沉積增材制造技術之前的應用基本停留在零件修複方面，尤其是送粉的DED技術，2021年出現的一個顯著變化是雷射熔絲能量沉積增材制造技術開始更多的用于零件制造用途，包括MELTIO和MITSUBISHI ELECTRIC-三菱電機等企業提供的雷射熔絲能量沉積增材制造交鑰匙項目服務使得這項技術在随後的幾年中将有更大的市場發展可能。
《稀有金屬》期刊發表的《大型金屬構件多機協同增材制造前沿進展》一文綜述了近年來國内外采用MCAM的方式成形大型金屬構件的相關研究進展。MCAM技術仍處于理論探索階段，目前僅對多機器人任務配置設定算法與控制進行了初步探究，尚未針對多熱源協同制造的控形控性機制開展深入研究工作，距離滿足大型複雜金屬構件的高精、高效、形性一體化成形需求仍有一定距離。後續研究工作可圍繞多熱源增材組織演變行為和力學性能優化、大型構件應力變形演變機制與調控、多機器人協同線上成形檢測與控制等難點開展，支撐新一代大型高強輕質合金結構件的高品質制造。
圖文速覽
圖1 Sciaky公司制造的大型航空推進劑钛合金存儲罐
Fig.1 Titanium aviation propellant tank manufactured by Sciaky company
圖2 多路沉積“橋式”增材制造裝備
Fig.2 “Bridge type” additive manufacturing system with multiple deposition heads
圖3 Cranfield大學的多機電弧增材系統及典型零件
Fig.3 Multirobot cooperative WAAM system of Cranfield University and a typical part fabricated by this system（a）Overview of system；（b）24 kg Ti-6Al-4V external landing gear assembly
圖4 Ramlab公司采用電弧增材列印全尺寸螺旋槳
Fig.4 Full-size propeller produced by Ramlab company using WAAM
圖5 電弧熔絲增減材制造首件 10 m級高強鋁合金重型運載火箭連接配接環樣件
Fig.5 10 m high-strength aluminum alloy connector for carrier rocket made by integration of WAAM and in-situ milling
圖6 采用MFCAM與GTA結合的新型多熱源複合增材制造技術成形的鋁合金樣件
Fig.6 Aluminum alloy samples manufactured by integrating MFCAM and GTA（a）Accuracy of manufacturing；（b）Complexity of manufacturing
圖7 四機器人增材制造系統
Fig.7 Four-robot cooperative additive manufacturing system（a）A schematic of system；（b）Influences of multi-robot lay-out on maximum reachable area
圖8 基于CPISL方法的MCAM任務分解機制
Fig.8 Task decomposition mechanism for MCAM using CPISL method（a）Demonstration of the system；（b）Result of decomposition
圖9 三機器人五電弧協同增材系統
Fig.9 Five-arc three-robot synergistic additive manufacturing system（a）Overview of system；（b）Five-arc deposition device
圖10 多機協作增減一體化制造系統
Fig.10 Multi-robot cooperation system for integration of additive and subtractive manufacturing
圖11 可移動式MCAM系統
Fig.11 Mobile MCAM system
圖12 數字孿生驅動的大尺寸件多機線上協作增材系統
Fig.12 Prototype of a digital-twin driven multi-robot cooperation system for additive manufacturing of large-scale part
全文小結
基于國内外學者最新的研究進展和科研成果，可以看出：
1. 盡管目前大型金屬件增材技術取得了一定進展，但大型金屬件增材制造面臨應力與變形情況複雜、組織性能難控多變、工藝穩定性差、增材效率低等問題，成為限制其工程應用的關鍵瓶頸。
2. MCAM是以多工藝、多熱源、多能場等複合增材為前提和基礎，融合了多能場協同耦合、協作感覺、群體控制等諸多技術特征，可突破單一機器人成形效率限制，提升增材系統的柔性水準，改善增材制造構件的殘餘應力及組織性能。
3. 現階段，國内外協同增材的相關研究工作僅停留在同步複合層面，尚未實作“智能協同進行”、“互相耦合關聯”機制，大部分是程序相對分離的工藝疊加，并不能嚴格意義上屬于“協作”關系，距離協同複合仍有一定距離。
4. MCAM 技術仍處于理論探索階段，目前僅對多機器人任務配置設定算法與控制進行了初步探究，尚未針對多熱源協同制造的控形控性機制開展深入研究，無法滿足大型複雜金屬構件的高精、高效、形性一體化成形需求。
5. 後續研究工作可圍繞多熱源增材組織演變行為和力學性能優化、大型構件應力變形演變機制與調控、多機器人協同線上成形檢測與控制等角度開展研究，支撐新一代大型高強輕質合金結構件的高品質制造。
論文引用資訊：
李永哲，李晨鵬，周怡君，張廣軍，孟令一，黎明朗. 大型金屬構件多機協同增材制造前沿進展 [J]. 稀有金屬，2022，47(5): 664-678.
Li Yongzhe，Li Chenpeng，Zhou Yijun，Zhang Guangjun，Meng Lingyi，Li Minglang. Progresses in Multi-Robot Cooperative Additive Manufacturing of Large-Scale Metal Parts [J]. Chinese Journal of Rare Metals, 2022, 47(5): 664-678.
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