增材制造無(wú)疑是一種非常高效的制造方式，但在產(chǎn)品的幾何尺寸精度和表面光潔度方面，該工藝的效果不太理想，而傳統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床屬于“減材加工”具有高精準(zhǔn)度和易于切削加工等優(yōu)點(diǎn)。可見(jiàn)減材制造與增材制造的優(yōu)缺點(diǎn)具有很強(qiáng)的互補(bǔ)關(guān)系。將數(shù)控加工與增材制造進(jìn)行有機(jī)集成，以實(shí)現(xiàn)增減材制造工藝的復(fù)合，不僅能夠提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，拓寬產(chǎn)品原料加工范圍，還可以減少生產(chǎn)過(guò)程中切削液的使用，保護(hù)環(huán)境，具有廣闊的應(yīng)用前景。

 

增材制造與減材制造對(duì)比

 

　　結(jié)合不同工藝操作的混合機(jī)器，至少在一般的減材加工領(lǐng)域已經(jīng)不是新鮮事。但是不同制造工藝在實(shí)際操作中很難互相配合(而且十分昂貴)，所以這種設(shè)備并不真正能夠提高制造速度，而是能夠帶來(lái)精確度的提高。增材和減材制造技術(shù)的組合研究已經(jīng)有20多年歷史，但直到最近才在民用領(lǐng)域有一些應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。第一臺(tái)商用混合機(jī)床是上世紀(jì)90年代末期日本的一項(xiàng)大學(xué)/工業(yè)聯(lián)合研究項(xiàng)目中開(kāi)發(fā)出來(lái)的，是將激光粉末熔融與CNC加工相結(jié)合的機(jī)床。

 

　　增減材復(fù)合加工技術(shù)的特點(diǎn)

 

　　增減材復(fù)合加工技術(shù)是一種將產(chǎn)品設(shè)計(jì)、軟件控制以及增材制造與減材制造相結(jié)合的新技術(shù)。借助于計(jì)算機(jī)生成的CAD模型，并將其按一定的厚度分層，從而將零件的三維數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)換為一系列的二維或三維輪廓幾何信息，層面幾何信息融合沉積參數(shù)和機(jī)加工參數(shù)生成增材制造加工路徑數(shù)控代碼，最終成型三維實(shí)體零件。然后針對(duì)成形的三維的實(shí)體零件進(jìn)行測(cè)量與特征提取，并與CAD模型進(jìn)行對(duì)照尋找誤差區(qū)域后，基于減材制造，對(duì)零件進(jìn)行進(jìn)一步加工修正，直至滿(mǎn)足產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求。

 

 

　　由此在同一臺(tái)機(jī)床上可實(shí)現(xiàn)“加減法”的加工，是現(xiàn)有的數(shù)控切削加工和3D打印組合的混合型方案。這樣，對(duì)于傳統(tǒng)切削加工無(wú)法實(shí)現(xiàn)的特殊幾何構(gòu)型或特殊材料的零件，近凈成形的階段可由增材制造承擔(dān)，而后期的精加工與表面處理，則由傳統(tǒng)的減材加工承擔(dān)。由于在同一臺(tái)機(jī)床上完成所有加工工序，不僅避免了原本在多平臺(tái)加工時(shí)工件的夾持與取放所帶來(lái)的誤差積累，提高制造精度與生產(chǎn)效率，同時(shí)也節(jié)省了車(chē)間空間，降低制造成本。

 

　　從復(fù)合加工技術(shù)的原理可以看出，該技術(shù)的實(shí)質(zhì)是CAD軟件驅(qū)動(dòng)下的三維堆積和機(jī)加工過(guò)程。因此，一個(gè)基本的復(fù)合加工系統(tǒng)應(yīng)該由以下幾個(gè)部分組成：CNC加工中心、沉積制造部分、送料系統(tǒng)、軟件控制系統(tǒng)以及輔助系統(tǒng)。其中涉及到的關(guān)鍵技術(shù)主要包括復(fù)合加工的集成方式、軟硬件平臺(tái)搭建和復(fù)合制造控制系統(tǒng)。

 

 

 

　　隨著增材制造的發(fā)展以及其局限性的突出，國(guó)際上越來(lái)越多的學(xué)者和研究機(jī)構(gòu)把目光轉(zhuǎn)向基于增減材的復(fù)合加工制造。相比于國(guó)內(nèi)，國(guó)際上對(duì)基于增減材制造的復(fù)合加工技術(shù)的研究開(kāi)展的比較早，研究的內(nèi)容也比較多。但總的來(lái)說(shuō)，該項(xiàng)技術(shù)仍然處于研究與探索階段。

 

　　目前主要新技術(shù)包括：形狀沉積制造技術(shù)(shape deposition manufacturing，SDM)、模具形狀沉積制造技術(shù)(MoldSDM)、控制金屬堆積技術(shù)(CMB)、基于堆焊的混合加工系統(tǒng)(ArcHLM)、選擇性激光熔覆復(fù)合加工技術(shù)(HSLM)、超聲波增材制造(UAM)、HPDM技術(shù)等。

 

 

SDM

 

Mold SDM

 

The principal process steps for the Assembly Mold SDM

 

　　國(guó)外增減材復(fù)合加工設(shè)備發(fā)展

 

　　目前增減材復(fù)合加工設(shè)備的復(fù)合制造工藝集成方式包括基于直接能量沉積(DED)的復(fù)合加工集成、基于粉末融積(PBD)的增減材復(fù)合加工、基于材料噴射成形技術(shù)的增減材復(fù)合加工、基于冷噴涂的增減材復(fù)合加工集成等。

 

　　成熟設(shè)備包括DMG Mori公司的LASERTEC 65 3D復(fù)合加工機(jī)床、Hamuel Reichenbacher公司的HYBRID HSTM 1500機(jī)床、Mazak公司的INTEGREX i-400AM多功能機(jī)床、Matsuura公司的Lume xAvence-25機(jī)床等。

 

　　2013年，Sauer&DMG Mori公司開(kāi)發(fā)的Lasertech 65 Hybrid，并在德國(guó)舉行的歐洲模具展上展出。Lasertech 65 Hybrid實(shí)際是一款5軸的數(shù)控機(jī)床加上2千瓦的二極管激光打印頭。打印頭通過(guò)HSK接口與主軸連接，該設(shè)備先通過(guò)激光燒結(jié)的方式構(gòu)建零件，然后轉(zhuǎn)向減材工藝。激光燒結(jié)采用的是將金屬粉末噴入激光束進(jìn)行融熔沉積的方法。該設(shè)備的生成速度為3.5公斤/小時(shí)，比激光燒結(jié)快20倍。

 

DMG Mori公司的LASERTEC 65 3D復(fù)合加工機(jī)床

 

　　Hamuel Reichenbacher公司的HYBRID HSTM 1500機(jī)床(設(shè)計(jì)重點(diǎn)是用于高價(jià)值部件的修復(fù)，集成了高速銑削/直接能量熔融(DED)、檢測(cè)、去毛刺與拋光等輔助工藝。

 

 

Hamuel Reichenbacher公司的HYBRID HSTM 1500機(jī)床

 

　　日本松浦-Matsuura的LUMEX Avance-25金屬3D打印機(jī)，是世界上首個(gè)將金屬激光燒結(jié)增材制造技術(shù)與和高速銑削工藝結(jié)合在一起的綜合制造設(shè)備。GE石油天然氣集團(tuán)在其日本新瀉縣的刈羽(Kariwa)工廠就采用松浦的這一設(shè)備來(lái)制造特殊配置的Masoneilan控制閥部件以用于整個(gè)能源行業(yè)的各種應(yīng)用。

 

 

　　2015年，西班牙的San Sebastián Tecnalia研究中心、巴斯克大學(xué)(UPV-EHU)和機(jī)床制造商Ibarmia共同合作，也開(kāi)發(fā)出了一款將3D打印技術(shù)與精密加工結(jié)合在一起的混合制造設(shè)備(見(jiàn)下圖)。這款混合型Add+Process最為獨(dú)特的是它既融合了基于激光的增材制造工藝又同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)大型部件的銑削和翻轉(zhuǎn)。這一自動(dòng)制造中心可以讓用戶(hù)從無(wú)到有地制造大型金屬部件或者修復(fù)高價(jià)的部件，同時(shí)也能實(shí)現(xiàn)精度很高的精加工。這臺(tái)機(jī)器使用的材料為精細(xì)的金屬粉末，它能夠以每分鐘40克的速度處理這些微米級(jí)的顆粒，使其按照指定的圖案精準(zhǔn)地沉積，直到形成固體對(duì)象。與傳統(tǒng)的制造技術(shù)相比它可以節(jié)省高達(dá)60%的生產(chǎn)時(shí)間和材料。

 

 

 

　　除此之外， Matsuura、Sodick、Hermle、Cincinnati、ELB、Trumpf等西方國(guó)家傳統(tǒng)機(jī)床巨頭也都推出了機(jī)床加工+增材制造混合型設(shè)備。

 

　　國(guó)內(nèi)增減材復(fù)合加工設(shè)備發(fā)展

 

　　五軸聯(lián)動(dòng)增減混合加工中心處于技術(shù)前沿。目前，國(guó)際的機(jī)床巨頭在推出將3D打印增材制造與銑削加工技術(shù)相結(jié)合的新型五軸聯(lián)動(dòng)加工中心，受到人們的廣泛關(guān)注。其實(shí)我國(guó)本土的增減混合五軸加工中心同樣功能強(qiáng)大，卻鮮為人知。

 

　　在2016年的第九屆中國(guó)數(shù)控機(jī)床展覽會(huì)中，就有數(shù)款復(fù)合機(jī)床展出，并且產(chǎn)品水平不斷提高。例如大連三壘的SVW80C-3D增減材復(fù)合五軸加工中心、青海華鼎的XF1200激光增減材五軸復(fù)合加工中心、大連光洋的KMC800U五軸銑車(chē)復(fù)合立式加工中心、魯南機(jī)床的VTC2040銑車(chē)復(fù)合柔性加工中心等都是國(guó)內(nèi)技術(shù)水平較高的增減材復(fù)合五軸加工中心。

 

　　國(guó)產(chǎn)增減混合五軸加工中心相對(duì)于國(guó)際同類(lèi)裝備具有更高的性?xún)r(jià)比。以大連三壘的SVW80C-3D為例，首先具有較大的行程，X，Y和Z軸分別可達(dá)800 mm，800 mm 和600 mm;其次機(jī)床精度較高，定位精度可達(dá)8μm，重復(fù)定位精度為5μm;再者打印工件尺寸較大，可達(dá)1000 mm x440 mm;沉積效率達(dá)到300cm3/h以上。SVW80C-3D使用光纖激光器，光電轉(zhuǎn)化效率高，維護(hù)使用成本低。性能參數(shù)高而售價(jià)低，SVW80C-3D具有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

 

 

 

大連三壘SVW80C-3D加工過(guò)程及成品圖

 

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