增材和減材制造的混合加工技術(shù)解析

當(dāng)考慮一個(gè)零件是用增材制造還是用減材制造時(shí)，一般來(lái)說(shuō)會(huì)考慮其復(fù)雜性。對(duì)于高復(fù)雜性的零部件來(lái)說(shuō)，增材制造是一種必然選擇，因?yàn)樗�能賦予完整的幾何自由度去構(gòu)建具有復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)和功能的零部件�；�于數(shù)控加工的減材制造對(duì)于常規(guī)形狀的零件來(lái)說(shuō)能實(shí)現(xiàn)高的生產(chǎn)效率以及非常緊密的公差。因此，越是復(fù)雜的零部件，就越適合用增材制造技術(shù)，需要說(shuō)明的是，如果零件規(guī)格要求更嚴(yán)格的公差，通常需要用傳統(tǒng)的方法。

但是，這兩種方法都有著各自的優(yōu)點(diǎn)和局限性。激光燒結(jié)增材制造本質(zhì)上是用激光光束沿著工具路徑來(lái)熔化昂貴的粉末，一次只創(chuàng)建一個(gè)零件的一層。這個(gè)過(guò)程比傳統(tǒng)的數(shù)控金屬加工速度至少慢了一個(gè)數(shù)量級(jí)。要達(dá)到減材制造的速度需要權(quán)衡三維中每一層的厚度。你可以用更高的能量輸入或是生成更厚的粉末層或是更快的成型以提高生產(chǎn)率，但表面光潔度會(huì)受影響。或者你可以接受一個(gè)緩慢的過(guò)程，來(lái)形成較小的層，獲得更好的表面光潔度。

甚至可能接受更慢的過(guò)程，來(lái)形成更薄的層，以獲得更好的表面光潔度。在某些類型的數(shù)控機(jī)床平臺(tái)，你仍需要后沉積工序。這就是增材制造和減材制造的“斗爭(zhēng)”所在。這兩種技術(shù)被視為互相競(jìng)爭(zhēng)性的技術(shù)，而不是彼此互補(bǔ)。而現(xiàn)在，我們?cè)谒鼈冎�間搭建起了“橋梁”（見(jiàn)左圖）。

混合加工技術(shù)能提供從純粹的增材到減材制造之間的全面選擇�；旌霞庸ぞ褪沁@座“橋梁”，我們可以將這兩種技術(shù)融合在一起，來(lái)打印材料，在已有的零部件上添加金屬，從無(wú)到有構(gòu)建零件，然后把它們?nèi)诤显谝黄稹?br />
混合加工
大部分情況下，增材制造的零部件不能滿足傳統(tǒng)加工的需求。有些功能對(duì)表面光潔度或公差有要求，而這不能通過(guò)直接材料沉積來(lái)獲得。在CNC數(shù)控機(jī)床上增加定向的能量沉積，將能結(jié)合金屬3D打印的復(fù)雜性以及傳統(tǒng)數(shù)控加工的表面光潔度。

這種混合加工系統(tǒng)可以通過(guò)實(shí)現(xiàn)較厚的沉積層來(lái)最大限度地提高增材制造的生產(chǎn)率，因?yàn)槟茉谕�一臺(tái)機(jī)器內(nèi)提高表面光潔度。通過(guò)采用一個(gè)非常精密的機(jī)床，再加上一種調(diào)整過(guò)的沉積噴嘴，該機(jī)器可以從無(wú)到有打印零部件或是將材料增加到已有的工件上，然后按照指令進(jìn)行加工。你可以先打印一點(diǎn)，然后將噴嘴換成銑削刀具進(jìn)行加工，為下一層沉積做表面處理，再換回噴嘴來(lái)沉積下一層材料。或者你也可以打印直到成品完成，然后再加工這個(gè)零件。

在Mitsui Seiki（三井精機(jī)），我們的混合加工系統(tǒng)是一個(gè)5軸加工中心平臺(tái)，精度為15μm，15,000至30,000rpm的CAT或HSK主軸。和主軸保持一致的噴嘴、光纖激光器、粉末的進(jìn)料系統(tǒng)，將這些集成到一臺(tái)加工中心中，我們就得到了一個(gè)可以在常規(guī)數(shù)控加工和增材制造之間來(lái)回改變的混合加工系統(tǒng)。

將噴嘴直接載入換刀裝置，就像其他常規(guī)的銑削刀具一樣，多個(gè)噴嘴可以支持不同的粉末流速和激光加工工藝�？梢宰畲笙薅鹊赝诰蚱渌麌娮斓臐摿Γ瑏�(lái)進(jìn)行局部熱處理、表面清洗、部分干燥、燒掉冷卻劑、為下一層做表面處理，甚至還可以進(jìn)行激光鉆孔或激光切割。憑借這種混合加工方法，您可以從無(wú)到有地打印整個(gè)零部件，或是將材料添加到現(xiàn)有的零部件上，或是回收磨損零件來(lái)提高耐磨損性，或是修復(fù)損壞的零件。

應(yīng)用
這項(xiàng)技術(shù)可以應(yīng)用在航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪維修方面——高壓渦輪壓縮機(jī)葉片、低壓葉片、渦輪、大葉輪和高壓渦輪部分。30多年來(lái)，這已經(jīng)在某些案例中得到了很好地應(yīng)用。然而，在同一平臺(tái)上現(xiàn)在不能有效地修復(fù)零件和進(jìn)行焊后加工。我們可以在增材制造工藝中加入一個(gè)機(jī)器之外的檢測(cè)系統(tǒng)來(lái)掃描已有的零件。

該掃描將生成針對(duì)CAD模型版本的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。然后可以自動(dòng)生成刀具路徑，從而為一個(gè)零件在增材和減材制造之間的來(lái)回轉(zhuǎn)換做好準(zhǔn)備。我們的目標(biāo)是最終無(wú)需任何工程干預(yù)就能做到這一點(diǎn)，能正確地從一個(gè)工序進(jìn)入到下一步工序。

同時(shí)這項(xiàng)技術(shù)也有可能用于修復(fù)零部件，否則這些零件在傳統(tǒng)加工環(huán)境中會(huì)因?yàn)闄C(jī)器崩潰或刀具破損而報(bào)廢。與其報(bào)廢一個(gè)價(jià)值數(shù)以十萬(wàn)計(jì)美元的零部件，顯然修復(fù)方案更為經(jīng)濟(jì)，公司可以將破損工件的掃描數(shù)據(jù)與CAD文件進(jìn)行比較，然后生成增材/減材制造的刀具路徑，來(lái)修復(fù)損壞的地方。

未來(lái)的激光選擇
三井精機(jī)的混合加工中心可以更換激光頭，也可以用同樣的方式更換切削工具。

激光燒結(jié)通常只需要100W的激光來(lái)通過(guò)微銑削去除材料。一般用于激光沉積的2kW激光不能縮小到100W。但是，展望未來(lái)的發(fā)展，我們可以創(chuàng)建一個(gè)能在高功率和低功率激光之間靈活切換的系統(tǒng)。未來(lái)的系統(tǒng)可以用激光燒結(jié)對(duì)零部件進(jìn)行微銑削、增材制造沉積工藝、傳統(tǒng)的激光金屬去除。

早期的增材制造方法
整個(gè)增材制造工藝仍處于發(fā)展初期。很多公司在增材制造上花費(fèi)了大量金錢，可是并沒(méi)有得到有效的解決方案。我們應(yīng)該停止頭腦發(fā)熱。激光行業(yè)在其早期“夸下海口”，有些其實(shí)現(xiàn)在還無(wú)法實(shí)現(xiàn)。開(kāi)發(fā)人員要想成功創(chuàng)造工業(yè)化的解決方案，必須有著過(guò)程控制和成功的系統(tǒng)。不過(guò)最開(kāi)始的時(shí)候，激光和光學(xué)元件顯然沒(méi)有成功。我們應(yīng)當(dāng)避免重蹈激光領(lǐng)域的這個(gè)覆轍。

來(lái)源： 現(xiàn)代激光工業(yè)
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