如何在生產(chǎn)中結(jié)合增材制造和減材制造？專(zhuān)家給出建議！

導(dǎo)讀：近年來(lái)，增材制造和減材制造的結(jié)合越來(lái)越受歡迎，在全球范圍內(nèi)產(chǎn)生了重大影響。由于多項(xiàng)技術(shù)進(jìn)步，許多行業(yè)已經(jīng)受益于所謂的“混合制造”來(lái)制造最終零件。事實(shí)上，盡管兩種生產(chǎn)方法之間存在差異，但它們可以以互補(bǔ)的方式使用，以充分利用它們。然而，為了能夠在生產(chǎn)中實(shí)施這些技術(shù)，準(zhǔn)確了解這些技術(shù)的組成部分非常重要。

針對(duì)于上述問(wèn)題，南極熊在本期文章中總結(jié)了三位國(guó)外制造業(yè)專(zhuān)家（人員名單見(jiàn)下圖）的意見(jiàn)，他們就如何在生產(chǎn)鏈中最佳地實(shí)施增材和減材制造向我們提供了詳細(xì)的意見(jiàn)和建議。

△彼得·吉諾維斯、埃琳娜·洛佩茲和布賴(lài)恩·克里斯塔波尼斯

第一位專(zhuān)家是SolidCAM Additive 3D 打印應(yīng)用工程師彼得·吉諾維斯（Peter Genovese ）。他從事增材技術(shù)工作已近十年，并利用自己的專(zhuān)業(yè)經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定增材技術(shù)如何最適合各種制造環(huán)境。接下來(lái)，埃琳娜·洛佩茲（Elena Lopez）擔(dān)任 Fraunhofer IWS 增材制造部門(mén)的負(fù)責(zé)人。她還是增材制造領(lǐng)域的兼職教授，并擔(dān)任 Women in 3D Printing 歐洲區(qū)域總監(jiān)。最后，布萊恩·克里斯塔波尼斯 (Brian Kristaponis) 是飛利浦 ( Phillips)混合部門(mén)的總經(jīng)理，飛利浦 (Phillips) 是一家為各種市場(chǎng)提供制造解決方案和新技術(shù)的領(lǐng)先供應(yīng)商。

增材制造和減材制造的特點(diǎn)

在討論如何實(shí)施混合制造之前，了解兩種方法之間的顯著差異非常重要。增材制造由一層一層地分層材料組成，直到創(chuàng)建出所需的零件。在常見(jiàn)的 3D 打印技術(shù)系列中，包括：材料擠出、材料噴射、粘合劑噴射、槽光聚合、粉末床熔融、定向能量沉積 (DED)和片材層壓。同時(shí)，減材制造包括通過(guò)從塊或較大零件中提取材料來(lái)制造零件。這些減材加工包括數(shù)控加工（銑削、車(chē)削、鉆孔、鏜孔、鏜孔、磨削）、激光切割、放電加工和水射流切割。

這兩種制造工藝都有其優(yōu)點(diǎn)和局限性，因此有必要了解它們，以便了解每種情況下使用什么�，F(xiàn)在讓我們看看公司通過(guò)結(jié)合這兩種技術(shù)可以獲得的好處。SolidCAM 專(zhuān)家 Peter Genovese 解釋說(shuō)：“這種混合制造的主要優(yōu)點(diǎn)之一是能夠使用 3D 打印首先打印非常復(fù)雜的有機(jī)幾何形狀，否則僅通過(guò)減材加工來(lái)生產(chǎn)這種幾何形狀是不可能的或成本過(guò)高。然后，使用減材加工來(lái)獲得零件關(guān)鍵特征所需的高水平尺寸精度和嚴(yán)格公差�！睋Q句話(huà)說(shuō)，混合制造將增材制造和減材制造相結(jié)合，充分利用兩種工藝的優(yōu)點(diǎn)并將它們整合到一臺(tái)機(jī)器中，從而使混合生產(chǎn)更快、更輕松地為最苛刻的行業(yè)制造最終零件。

就整個(gè)工藝而言，Brian Kristaponis 補(bǔ)充道：“混合工藝可以減少所需原材料的數(shù)量，從而減少創(chuàng)建近凈形狀的周期時(shí)間。它可以實(shí)現(xiàn)內(nèi)部幾何形狀，減少對(duì)特定尺寸原材料的需求，并通過(guò)消除粗加工過(guò)程來(lái)降低總體模具成本。” 此外，值得注意的是選擇正確的工藝（加法和減法）以充分利用每個(gè)特定應(yīng)用的重要性。

△A. 減材制造工藝/B. 增材制造工藝。

如果我們專(zhuān)門(mén)關(guān)注 3D 打印，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)每種技術(shù)都有其關(guān)鍵特征，這些特征將影響其作為減材制造的補(bǔ)充的使用。Elena Lopez 也指出了這一點(diǎn)，她解釋說(shuō)：“并非所有增材制造技術(shù)都適合提高零件的可擴(kuò)展性或以便捷的方式進(jìn)行維修�！� 在這種選擇中需要考慮的因素包括：增材工藝的分辨率或公差、與技術(shù)兼容的材料以及零件特定后處理的需要。下面將更詳細(xì)地討論后處理。

混合制造：需要考慮的其他方面

除了制造過(guò)程本身之外，還必須了解生產(chǎn)鏈中其他方面的重要性。在談?wù)摶旌现圃鞎r(shí)，第一步（設(shè)計(jì)）和最后一步（后處理）發(fā)揮著關(guān)鍵作用。詳細(xì)了解這兩種工藝的功能將使公司能夠充分利用增材和減材生產(chǎn)來(lái)制造最佳的最終零件。

設(shè)計(jì)階段通常直接取決于用于創(chuàng)建零件的制造工藝。埃琳娜和彼得都同意增材制造和減材制造在設(shè)計(jì)方面分別遇到更多限制。洛佩茲解釋說(shuō)：“并非所有設(shè)計(jì)都可以在數(shù)控機(jī)床上加工。特別復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)可能不是最合理的方法�！�

對(duì)此，吉諾維斯則表示：“一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于CNC 加工，隨著設(shè)計(jì)復(fù)雜性的增加，加工該零件的難度也會(huì)增加。 另一方面，對(duì)于增材制造，在很多情況下零件復(fù)雜性的增加并不會(huì)導(dǎo)致制造更加復(fù)雜�！�

Kristaponis 最后提到了混合制造中的設(shè)計(jì)流程：“內(nèi)部特征的復(fù)雜性非常適合混合流程。使用混合制造模式，您可以在整個(gè)過(guò)程中重復(fù)沉積和加工。這使我們能夠生產(chǎn)具有高質(zhì)量機(jī)加工內(nèi)部特征的零件，這是嚴(yán)格的增材制造或 CNC 工藝無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。” 因此，通過(guò)結(jié)合這兩種技術(shù)，設(shè)計(jì)人員可以更自由地根據(jù)零件性能設(shè)計(jì)零件，而不必受到單一制造方法的限制。

△設(shè)計(jì)是混合制造的一個(gè)重要階段（照片來(lái)源：nTopology）

另一方面，還有后期處理。此步驟在大多數(shù)制造過(guò)程中至關(guān)重要，因?yàn)樗�可以使零件具有更好的表面光潔度，或者在某些情況下，可以增強(qiáng)其機(jī)械性能，以滿(mǎn)足更苛刻的應(yīng)用。從這個(gè)意義上說(shuō)，三位專(zhuān)家一致認(rèn)為，這是一個(gè)至關(guān)重要的考慮因素，不僅是在獲得零件之后，甚至是在獲得零件之前。設(shè)計(jì)模型時(shí)必須考慮要實(shí)施的后處理類(lèi)型，因?yàn)榱慵�的形態(tài)可能會(huì)有所不同。事實(shí)上，洛佩茲解釋說(shuō)：“根據(jù)所使用的混合工藝，預(yù)期的表面粗糙度可能與簡(jiǎn)單的 3D 打印工藝不同。如果使用減材技術(shù)，則在設(shè)計(jì)和加工路線(xiàn)中必須考慮要去除的材料量�！�

吉諾維斯同意這一點(diǎn)，但也提到了零件公差：“要記住的一件事是，您經(jīng)�？梢源蛴�無(wú)法加工的形狀。如果您需要對(duì)零件進(jìn)行后加工以達(dá)到關(guān)鍵公差，請(qǐng)確保在使用更傳統(tǒng)的減材技術(shù)打印零件后可以訪(fǎng)問(wèn)這些位置。最后，布萊恩針對(duì)后處理問(wèn)題提出了看法，總結(jié)道：“理想情況下，您希望生成一個(gè)在所有方向上材料數(shù)量均勻的近凈形狀。這使得加工過(guò)程更加可預(yù)測(cè)，并可以減少加工時(shí)間，因?yàn)榭梢詼p少或省略半精加工操作�！弊詈笠稽c(diǎn)很有趣，因?yàn)榉駝t我們會(huì)遇到某些問(wèn)題。如果零件未成型，則并不總是可以重新沉積它，這會(huì)導(dǎo)致零件不符合公差。

△在混合制造中，后處理用于獲得所需的表面光潔度。對(duì)于金屬技術(shù)，它是通過(guò)數(shù)控加工等技術(shù)來(lái)完成的

最后幾句話(huà)的建議

“向已經(jīng)走過(guò)這條路的人伸出援手，幫助指導(dǎo)您走上自己的旅程。增材制造和數(shù)控加工的世界極其廣闊。僅僅知道有哪些選項(xiàng)，更不用說(shuō)如何一起利用這些選項(xiàng)，是一項(xiàng)非常困難的任務(wù)。尋找與您類(lèi)似的行業(yè)中在混合制造方面取得成功的顧問(wèn)或公司是幫助您篩選所有選項(xiàng)的絕佳資源。” ——彼得·吉諾維斯

“你必須仔細(xì)分析預(yù)期的用例并評(píng)估什么對(duì)他們來(lái)說(shuō)最重要。添加數(shù)控加工技術(shù)需要雇用或培訓(xùn)這些其他技術(shù)的專(zhuān)家�；旌现圃旖鉀Q方案可能不是最具成本效益的，但它可以為未來(lái)的應(yīng)用增加靈活性。” ——埃琳娜·洛佩茲

“對(duì)于使用 CNC 機(jī)床作為運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的混合機(jī)床，您需要一個(gè)能夠同等支持這兩種技術(shù)的 CAM 軟件解決方案。隨著更多的機(jī)器進(jìn)入市場(chǎng)，軟件公司將投入更多的資源，使這些機(jī)器的編程變得更容易、更快捷，并實(shí)現(xiàn)增材和減材之間的無(wú)縫集成。” ——布萊恩·克里斯塔波尼斯