薄壁回轉體零件五軸3D打印加工工藝研究

文:汪祥   

3D打印被譽為“第三次工業(yè)革命的核心技術”，在航空航天、建筑、醫(yī)療等領域有著越來越廣泛的應用。而傳統(tǒng)的3D打印機應用是三軸運動系統(tǒng)，材料只能在一個方向上層層堆疊。當打印零件較復雜時，需要打印大量的支撐結構作為輔助，既浪費材料又影響加工效率，還會對零件表面質(zhì)量產(chǎn)生影響，并且三軸打印還容易形成“臺階效應”而影響產(chǎn)品質(zhì)量。現(xiàn)通過在已有X、Y、Z三軸 3D 打印平臺上添加擺臺，增加繞Y軸旋轉的B軸和繞Z軸旋轉的C軸，實現(xiàn)了五軸多方向打印。通過協(xié)調(diào)各軸運動來調(diào)整加工平面的方位，使零件結構的傾斜角度始終小于其臨界支撐角，在避免支撐結構添加的同時減少了臺階效應。

相關研究結果表明，五軸3D打印能夠解決多數(shù)零件的加工，但目前尚沒有一個針對所有零件的加工指令生成方案。本研究在對五軸3D打印加工工藝進行研究的基礎上提出了針對薄壁旋轉體零件的統(tǒng)一加工方法。首先設計了具有代表性的回轉體零件，并通過坐標變化生成其五軸加工代碼；然后在自主搭建的五軸3D打印平臺上進行實際打印操作，驗證了此方案的可行性，為后續(xù)五軸3D打印工藝研究提供方向。

1  五軸 3D 打印技術進展
在五軸3D打印機的硬件研制方面，現(xiàn)有可進行五軸3D打印的加工平臺有：SAUER LASERTEC 公司與 DMG MORI 公司共同合作建造的 LASERTEC 65 型激光熔覆加工機床；美國 OPTOMEC 公司根據(jù) LENS 原理在三軸基礎上將工作臺更改為搖籃模式而研發(fā)的一套五軸3D 打印機；日本ENOMOTN kogy公司開發(fā)了能夠在現(xiàn)有工業(yè)級五軸控制技術基礎上連續(xù)進行擠出式3D 打印和銑削操作的五軸混合加工機床等。

五軸 3D 打印加工工藝方面的研究進展如下：
①挪威奧斯陸大學的學生ØK Grutle設計了如圖1所示的五軸3D打印機。該打印機在傳統(tǒng)三軸打印機的基礎上安裝有擺臺，并添加了A軸和C軸。該研究只是根據(jù)已有方法通過打印簡單的零件對打印機性能進行驗證，并未對五軸3D打印的工藝進行深入研究。

圖1  挪威奧斯陸大學的五軸3D打印機

②中國礦業(yè)大學機電工程學院的胡慶等提出了將復雜模型進行分割簡化的五軸3D打印技術。該研究利用最優(yōu)子序列匹配算法（NOSB），將模型提取出骨架，再利用基于歸納學習法的交互式分割算法，將模型拆分成主體與支架，從而達到簡化模型的目的。然而，該研究的缺點在于不能處理某些不可再分割的具有復雜曲面的零件，如薄壁回轉體零件等。

③University of Rhode Island 的Musa Jouaneh 教授研究了在圓柱形、半球形類特殊結構上利用Optomec LENS (Laser Engineered Net Shaping)3D金屬噴印激光成型技術進行材料添加的加工方法。此研究為后來的五軸3D打印技術提供了參考，然而該方法受零件形狀的極大限制。

近年來3D打印技術得到了很大發(fā)展，但五軸3D打印技術作為3D打印技術發(fā)展的未來趨勢，其工藝研究仍處于初步階段。

2  薄壁回轉體五軸3D打印工藝及平臺搭建
（1）薄壁回轉體五軸 3D 打印工藝
根據(jù)加工方式考慮薄壁回轉體的3D打印。為了沿回轉路徑打印材料，傳統(tǒng)三軸打印機需要X、Y兩軸聯(lián)動劃出圓軌跡，但兩軸聯(lián)動會使打印精度下降。

從工件成型質(zhì)量上考慮薄壁回轉體的3D打印。由于其回轉截面的形狀不確定，結構上會有懸出部分。由于是薄壁，打印時的擠出料容易塌落，在不加支撐的情況下允許向外延伸的角度有限。此外，當回轉體的表面坡度較大時，階梯效應會更加明顯，曲面的表面質(zhì)量不佳。因此，傳統(tǒng)三軸切片打印的兩個缺點“附加支撐”和“臺階效應”在一般的薄壁回轉體制造中很容易顯現(xiàn)出來。而在采用五軸打印方式時，這兩個缺陷都能夠避免。

由于五軸機床的C軸可繞Z軸連續(xù)旋轉，恰好可以完成回轉體的回轉軌跡，因此擠出頭僅需X或Y軸在一個較小的范圍內(nèi)移動，C軸連續(xù)轉動即可完成一層材料的堆疊，精度相對于兩軸聯(lián)動的方式更高。此外，利用B軸擺動，可以對工件的回轉截面進行不同角度的分層，因而可以根據(jù)回轉截面內(nèi)外曲面的法線方向進行分層，并通過B軸轉動使每一層材料堆疊都完全落在上一層的基礎上，加工過程中不會出現(xiàn)懸出部分，并且內(nèi)外表面也是連續(xù)的。

由以上分析可知，采用五軸3D打印工藝加工薄壁回轉體具有明顯的優(yōu)點。

（2）五軸 3D 打印平臺搭建
① 擠出頭溫度控制
在3D打印過程中，要求擠出頭溫度能夠穩(wěn)定在一個區(qū)間之內(nèi)。為了達到該效果，自行搭建了溫控系統(tǒng)來進行控溫。利用溫敏電阻采集溫度信號，通過arduino UNO進行數(shù)據(jù)處理并得出當前的擠出頭溫度。然后通過控制電路的通斷來控制擠出頭是否加熱，使擠出頭溫度在可控的區(qū)間內(nèi)波動。

②電機控制
通過MACH3搭配nMotion來控制X、Y、Z以及A、C共計五個運動軸，B軸用來控制噴嘴的送料速度和送料量。

③平臺搭建
該平臺由三個平移軸和兩個旋轉軸構成，三個平移軸由步進電機以及絲桿構成。在絲桿上搭載滑塊，滑塊上安裝3D打印機的擠出頭，實現(xiàn)X、Y、Z三個方向的運動。下半部分搭載了一個可沿Y軸旋轉的旋轉軸和一個可以沿Z軸旋轉的旋轉軸。

3  五軸3D打印工藝
（1）五軸3D打印一般加工思路
本文以添加繞X軸旋轉的A軸和繞Z軸旋轉的C軸為例進行說明。對于添加B、C軸的情況，其原理相同。在擺臺轉動的過程中，如果將擺臺看作靜止，則材料的擠出頭會圍繞擺臺作相對運動，其變換過程如圖2所示。

(a)A回轉軸

(b)C回轉軸

圖2  回轉軸變換

當A、C軸分別旋轉時，變換矩陣R(X，A)(φ)和R(Z，C)(θ)分別為

A、C 軸同時旋轉時，變換矩陣T為R(X，A)(φ)和R(Z，C)(θ)的乘積，有

因此，旋轉后的坐標(X′，Y′，Z′)與原坐標(X，Y，Z)的關系可表示為

（2）薄壁回轉體零件加工

選用圖3所示的薄壁回轉體零件作為樣件來解釋本研究所提出方案的可行性。

(a)樣件模型  (b)底座剖面

圖3  薄壁回轉體零件樣件

圖3中，回轉體截面的內(nèi)外側母線為一段同心圓弧。在傳統(tǒng)的快速成型技術中，以Stl模型為基礎的分層制造工藝存在臺階效應，影響零件的尺寸精度和表面粗糙度。此外，因支撐材料的使用，使3D打印物體的種類和樣式得到了較大的擴展，但同時提高了制作成本，也會影響與物體表面接觸處的表面質(zhì)量。采用五軸式運動機構并采取與工件曲面相適應的分層方法，可有效避免傳統(tǒng)方法存在的問題。

（a）樣件坐標系及角度分層計算（b）樣件剖面

圖4  樣件模型坐標系及剖面

圖4為樣件模型坐標系，圖中的一些符號含義注解如下：X、Z軸為機床坐標系，Ο為回轉體縱截面內(nèi)外表面圓弧曲線的圓心。

將O點與工件內(nèi)表面上任一點相連，此連線與水平面夾角為θ；將此連線向上偏轉Δθ得到的新線段與壁厚所夾得截面A1即為堆疊層；X1與Z1為原坐標系繞原點逆時針旋轉至X軸與A1截面相平行時的新坐標系。樣件從截面看可被分為兩個部分，并使用不同的切片方式進行處理：①底部三角部分（見圖3b、圖4a中黑色部分）；②上方完整同心圓弧構成的主體部分。

樣件制造具體軌跡規(guī)劃如下：
①底部三角部分使用Z軸分層，運用MATLAB軟件編程計算三角縱截面在不同Z高度處的內(nèi)外表面X坐標，記為x1、x2。打印時首先擠出頭固定在x1坐標，C軸回轉一周形成內(nèi)表面圓；然后擠出頭移至x2處，采用同樣方法打印出外表面圓。隨即擠出頭在x1至x2之間來回移動，C軸以一定速度配合X軸往返頻率同步回轉一周，在兩圓環(huán)之間以鋸齒線形式完成材料填充。

②主體部分：由于工件外表面為圓弧，當Δθ較小時，內(nèi)外層厚度可近似看作相等。由于A1層高方向為外表面法線方向，則A1為任意一處壁厚的法向截面。此時，通過繞Y軸轉動的B軸旋轉打印平臺，使固結于工件上的坐標系變換為圖4a所示X1、Z1坐標系，則可簡單地使3D打印擠出頭在A1截面上沿X軸方向移動。利用繞Z軸轉動的C軸轉盤旋轉平臺，同時保持送料步進電機的送料，即可在A1截面回轉形成的內(nèi)凹圓錐面上進行堆疊。由于此種疊加方式的每一層都是沿著圓弧切線方向堆疊，可以有效削弱臺階效應。此外，由于在切線方向堆疊，上一層相對于下一層沒有X軸方向的平移，所以不會出現(xiàn)懸空堆疊，避免了傳統(tǒng)三軸打印過程中所需的支撐結構，從而節(jié)省了材料。

同樣使用MATLAB建立數(shù)學模型，求解出X、Z坐標系逆時針回轉在不同角度θ時對應平行截面A（見圖4b）的內(nèi)外表面X、Z坐標。其中，角度信息對應機床實際加工過程中的擺臺B軸角度，每個轉角θ有對應的截面A。擠出頭抬升至對應的Z高度，隨后的層面填充方法與三角部分相同。從根本上來說，以上方法是根據(jù)B軸轉角分層來處理。考慮擠出材料厚度應與兩次轉角之間層面厚度對應，經(jīng)過計算得到B軸的每次轉角增量Δθ為0.1°。

MATLAB生成的數(shù)據(jù)都導出至EXCEL表格中，通過編寫C++程序讀取EXCEL文件并以 Gcode代碼文件格式（如添加G指令、添加XYZABC字符等）輸出。由于試驗平臺機床采用nMotion CNC 六軸控制器，故將控制器中的A軸用來控制送料步進電機。此外，在程序內(nèi)部對每兩行運動指令之間運動軌跡長度進行計算，并根據(jù)標準送料速率得出A軸的進給（送料）量并添加至Gcode中；每層鋸齒線填充過程中的C軸轉角與擠出頭X移動量的配合會影響填充密度，其設置與Gcode輸出相同，也在C++程序中自動完成。

（3）實物展示
實際加工所得樣件如圖5所示，樣件底座為傳統(tǒng)三軸打印所得，上部為依托改進后的五軸程序打印所得。由圖可知，底座的表面粗糙度明顯大于工件上部的表面粗糙度。因此，改進后的五軸加工方式相對傳統(tǒng)三軸打印具有更大的優(yōu)勢，五軸打印可有效提高工件的表面加工質(zhì)量，臺階效應較小且無坍塌現(xiàn)象，從而證明了本文方案的可行性。

（a）主視圖(b) 俯視圖

圖5  3D打印樣件實物

小結
通過增加B、C軸，五軸3D打印解決了懸浮結構的支撐問題，減小了臺階效應，為3D打印的工藝優(yōu)化提供了更多選擇。五軸3D打印加工工藝技術在研究方面還處于起步階段，缺乏統(tǒng)一的加工指令生成方案。本研究的意義在于為五軸3D打印加工指令生成提出新方案，為后續(xù)研究奠定基礎。

作者:汪祥   
來源：《工具技術》