中科煜宸攜手西門子推動增材制造工業(yè)化應(yīng)用

作者：史建軍 （南京中科煜宸激光技術(shù)有限公司 技術(shù)總監(jiān)）董海林 （西門子數(shù)字化工業(yè)軟件增材制造產(chǎn)品經(jīng)理）

作為近年來新概念的制造技術(shù)，增材制造技術(shù)的出現(xiàn)突破了傳統(tǒng)的鑄造、鍛造、焊接等技術(shù)的瓶頸問題，實現(xiàn)了復(fù)雜零件及大型結(jié)構(gòu)件的整體成形。然而，由于增材制造后的精度不足，嚴(yán)重地制約了增材制造技術(shù)的快速發(fā)展及大規(guī)模應(yīng)用，目前增減材復(fù)合制造技術(shù)是解決這一問題的理想方法之一。

增減材復(fù)合制造技術(shù)是一種在增材制造技術(shù)前提下，對傳統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的二次開發(fā)技術(shù)，結(jié)合減材制造成形尺寸精度高和表面質(zhì)量好的優(yōu)勢，彌補增材制造工藝精度低的新型復(fù)合加工方法，運用逐層堆疊的增材制造以及適時的切削加工，保障零件成形過程中的尺寸精度和表面質(zhì)量，實現(xiàn)零件在同一臺數(shù)控機(jī)床上完成“增材-減材”的連續(xù)復(fù)合加工過程。

△圖1增減材復(fù)合制造工藝特點

增減材的復(fù)合加工技術(shù)發(fā)展方向由于融合了增材制造和減材制造技術(shù)優(yōu)勢，該技術(shù)能快速制備出不同材料的高精度、高質(zhì)量的復(fù)雜形狀零件，縮短制造周期，節(jié)省材料，降低成本，增強產(chǎn)品競爭優(yōu)勢，特別有利干復(fù)雜形狀、多品種、小批量零件的生產(chǎn)，以及通過激光修復(fù)實現(xiàn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)提升，因此具有廣闊的應(yīng)用前景。

解決方案
南京中科煜宸激光技術(shù)有限公司開發(fā)了一款五軸聯(lián)動增減材復(fù)合制造機(jī)床，具有增材、減材功能的高端復(fù)合加工能力，它既保持了傳統(tǒng)五軸加工中的機(jī)加功能，同時也具有增材制造的功能，整體系統(tǒng)由減材系統(tǒng)和增材系統(tǒng)兩部分組成。減材系統(tǒng)的主體為立式五軸加工中心(3直線軸+AC搖籃工作臺)，配置五軸控制系統(tǒng)。使用西門子NX™軟件的多軸增材模塊和5軸加工模塊，高效、準(zhǔn)確地進(jìn)行加工軌跡規(guī)劃和虛擬加工驗證，并快速得到加工代碼，實現(xiàn)增減材一體加工。

△圖2中科煜宸五軸聯(lián)動增減材復(fù)合制造機(jī)床

實施效果
基于西門子NX軟件平臺中的Multi Axis Deposition(定向能量沉積增材制造)路徑規(guī)劃模塊和減材加工路徑規(guī)劃模塊，中科煜宸已實現(xiàn)了機(jī)床三軸、機(jī)床五軸四聯(lián)動、機(jī)床五軸五聯(lián)動等多種增減材制造裝備結(jié)構(gòu)的運動配置，完成西門子828D、840D數(shù)控系統(tǒng)，機(jī)器人控制系統(tǒng)等的后處理器開發(fā)配置，可直接輸出裝備運動數(shù)控程序。在此基礎(chǔ)上，中科煜宸形成了“裝備結(jié)構(gòu)+數(shù)控系統(tǒng)”自由組合的數(shù)字化增減材制造裝備模型庫。借助于該模型庫，用戶在軟件端即可實現(xiàn)對中科煜宸增減材裝備標(biāo)準(zhǔn)機(jī)型的全方位虛擬操作使用，優(yōu)化零件打印路徑規(guī)劃策略，檢查設(shè)備運動過程中的干涉碰撞情況;同時又可根據(jù)待打印零件的幾何特征情況，提出更加明確的非標(biāo)類增減材制造裝備硬件指標(biāo)。

企業(yè)背景介紹
南京中科煜宸激光技術(shù)有限公司(下稱“中科煜宸”)自2013年成立以來，始終致力于事激光增材制造裝備(3D打印、表面技術(shù))、核心器件的研發(fā)與制造。立足于引領(lǐng)并不斷滿足市場需求的開發(fā)理念，中科煜宸于2019年2月正式啟動了“高效高精度萬瓦激光增減材復(fù)合制造裝備及核心技術(shù)研發(fā)"項目，已實現(xiàn)增減材裝備核心器件自主結(jié)構(gòu)設(shè)計、增減材制造高效路徑規(guī)劃技術(shù)、增減材制造工藝數(shù)據(jù)庫軟件及全流程狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)等功能模塊單元的研發(fā)，形成專用增減材智能化軟件3套，申請相關(guān)專利8件，軟著11項�；�于以上核心技術(shù)，中科煜宸已研發(fā)五軸聯(lián)動增減材復(fù)合制造裝備、柔性機(jī)器人增減材復(fù)合制造裝備等系列化裝備。

企業(yè)亟待解決的業(yè)務(wù)問題
南京中科煜宸激光技術(shù)有限公司需要研發(fā)高端的混合加工設(shè)備，將增材制造和減材加工結(jié)合起來，但混合加工的加工路徑規(guī)劃和加工代碼生成面臨著挑戰(zhàn)。

從原始產(chǎn)品數(shù)模到軌跡規(guī)劃，再到輸出可用的運動代碼，常規(guī)方法要經(jīng)過繁瑣的流程。如果要人工判斷如何組合增材和減材，那工作量會非常龐大，并且容易出錯，準(zhǔn)備的周期會相當(dāng)長，這就無法滿足軌跡規(guī)劃和加工驗證的快速迭代，也會給客戶使用體驗帶來負(fù)面影響。

另外不管是外部還是內(nèi)部提供的產(chǎn)品模型，尤其是STL這種小平面模型，在使用之前還需要進(jìn)行檢查、修復(fù)，可能還需要進(jìn)行修改，常規(guī)的軟件無法處理這種操作。

企業(yè)應(yīng)用實踐與探索
解決方案實際應(yīng)用情況與探索:
南京中科煜宸激光技術(shù)有限公司采用西門子NX多軸增材模塊和5軸加工模塊，加速完成了增減材一體復(fù)合加工的高端裝備。使用NX可以方便快速地進(jìn)行增材和減材的軌跡規(guī)劃，虛擬打印和機(jī)加仿真。

圖3基于NX軟件的五軸聯(lián)動增減材制造路徑規(guī)劃

(a) 鋁合金框梁

(b)鎳合金+銅合金燃燒室

(d) 不銹鋼法蘭

△圖4中科煜宸典型零件的增減材制造

實施成效
設(shè)備交付客戶后，通過使用西門子NX多軸增材和5軸加工模塊，客戶可以直接處理加工部件的STL文件，進(jìn)行檢查、修復(fù)，甚至修改。通常需要幾天的工作量才能完成的增材和減材混合加工的軌跡規(guī)劃和后處理程序編寫現(xiàn)在只要幾十分鐘，即可完成全部流程。

針對生成的軌跡可以進(jìn)行軌跡級、代碼級、設(shè)備級的仿真。確保最終輸入設(shè)備的代碼是可用并且不會對車間和操作人員造成風(fēng)險。

西門子NX多軸增材不僅僅只是支持激光送粉DED，還支持電弧送絲、材料擠出、冷噴等多個3D打印工藝，支持無縫擴(kuò)展加工工藝。

“西門子NX軟件的多軸增材和減材模塊功能非常強大，對5軸和機(jī)器人均具有非常好的適應(yīng)性。NX軟件不僅可以快速完成軌跡規(guī)劃與運動仿真，還支持對STL文件的編輯，良好地滿足了我們對復(fù)雜構(gòu)件增減材復(fù)合加工的路徑規(guī)劃需求。"

——史建軍博士    南京中科煜宸激光技術(shù)有限公司技術(shù)總監(jiān)

未來合作展望
史建軍博士表示:“通過此次合作，我們和西門子確立一個良好的開始和互動，面向多樣化的增材制造技術(shù)，西門子能夠提供豐富的增材方案，我們期待能夠與西門子攜手解決未來增材制造過程中更具挑戰(zhàn)的高端裝備研發(fā)技術(shù)難題。”

董海林表示:“我們很榮幸能和中科煜宸這樣的高新技術(shù)企業(yè)合作，對中國高端裝備研發(fā)和制造起到一份力量。我們同樣期待和中科煜宸開展增材設(shè)計、打印仿真和金屬粉末床熔融工藝等等的更多合作。"