AM+CNC 增材制造＋金屬切削混合加工技術(shù)

想象一下，你要制造一個放在瓶子中的船模，但你并不是利用一個現(xiàn)成的瓶子，而是對船模和瓶子一起進行成型，并在造型的同時，對船模和瓶子表面進行切削加工。
　　增材與減材制造相結(jié)合的混合加工做一個類比。用3D打印機也能打印出瓶中的船模，但無法將其拿到加工中心或車床上進行后續(xù)加工，因為現(xiàn)在其形狀特征已被封閉在瓶子中。
　　為了實現(xiàn)混合加工，德馬吉森精機推出了LaserTec 65 3D混合型機床。該機床將激光沉積功能集成融入五軸數(shù)控銑床之中，并具有直徑500mm、長度360mm的工作空間。此外，該公司計劃今年（2015年）推出LaserTec 4300 3D機型，它將同樣的增材制造裝置集成到銑/車復(fù)合機床之中，可以加工直徑達660mm、長度達1500mm的工件。

圖1 DMG Mori的LaserTec 65 3D混合型機床

　　該機床采用的激光沉積工藝并不是在一塊底板上對金屬粉末進行激光燒結(jié)，而是將金屬合金粉末噴到激光器的焦點處（激光器聚焦于工件或基體表面），使其完全熔化。金屬粉末與激光器共焦，因此激光可將粉末加熱熔化�；�體表面也有薄薄的一層被熔化，因此粉末可與基體充分結(jié)合在一起。
　　雖然LaserTec機床可在底板上從無到有打印出一個零件，并在造型過程中加工出所需幾何特征，但它也可以在已有的鍛件、鑄件或棒料上進行打印，然后加工出所需特征。在有些情況下，沉積的金屬粉末量約占從無到有制成整個零件所需材料量的5％。
　　機床經(jīng)銷商MC機械公司也銷售一款由日本松浦（Matsuura）公司開發(fā)的混合型機床——Lumex Avance-25。雖然該機床的增材制造部分被稱為直接金屬激光燒結(jié)（DMLS），但實際上該名稱并不準(zhǔn)確。MC公司其實用激光將材料熔結(jié)到一起。而燒結(jié)工藝則是另一回事，生產(chǎn)硬質(zhì)合金就是燒結(jié)的典型例子，它是將幾種不同的元素混合在一起，然后對其加熱和加壓，使其粘結(jié)成型。

圖2 在松浦Lumex Avance-25混合型機床上制造的模具

　　DMLS工藝首先需要將一塊底板（磨平的熱軋鋼板）用螺栓固定在機床工作臺上。加工時，一根擠壓棒在底板上將金屬粉末沉積和擠壓成厚度為50μm的薄層，激光則按照該零件的數(shù)控加工程序加熱熔融金屬粉末，然后工作臺下降50μm，并在前一層材料表面擠壓和熔融另一層金屬粉末。
　　通常在打印了10層材料后（有時可能層數(shù)不同），該機床就要以高達45000r/min的轉(zhuǎn)速對工件進行粗銑和半精銑加工。半精加工刀具在工件每一側(cè)都要留出大約0.038mm的余量。在接下來的10層材料被沉積和熔融后，也要對其進行粗銑和半精銑加工，然后用削柄銑刀進行精銑加工。這樣做的原因是，每次開始打印新的一組（10層）材料時，其邊緣往往會略微收縮。因此每打印10層材料就要進行一次切削加工，以去除層間界線。對于剛打印出來的工件廓形，總是需要進行精銑加工。

圖3 在Lumex Avance-25機床上激光燒結(jié)成型的零件（左）和經(jīng)過燒結(jié)和切削加工的零件（右）

　　與其他混合加工工藝類似，采用DMLS工藝也能打印出保形內(nèi)部冷卻通道和厚度僅為0.711mm的深肋板，而無需在放電加工（EDM）機床上用專門設(shè)計的電極來加工這些特征。該工藝還能消除模具分型，這意味著可用單一成型件取代多件組裝件，從而節(jié)省大量裝配時間，減輕零件重量和避免制造多件組裝件的復(fù)雜性。放電加工也可以用于混合加工，但為了將加工完的零件從底板上切下來，必須采用線切割方式。
　　采用熱熔成型工藝制造粉末金屬（P/M）零件效果很好，但該工藝并不一定適合其他一些加工。創(chuàng)建僅3年的Fabrisonic公司開發(fā)了另一種無需熔化金屬的3D打印方法。該方法同樣也能集成到銑床上進行混合加工。該公司將電子工業(yè)一直用于焊接不同類型金屬材料的超聲焊接技術(shù)從微型加工層面擴大到可在一臺工作空間達1.829m×1.829m的機床上生產(chǎn)零件。
　　Fabrisonic公司的超聲增材制造（UAM）技術(shù)能以每小時381-508mm3的成型速度，用一個焊接頭將厚度為0.152mm的金屬箔一層一層地焊接到一起。由于非真空環(huán)境中金屬表面形成的氧化層會造成焊接不牢，因此UAM工藝?yán)��?0kHz的超聲振動擦除金屬箔上的氧化層，使未氧化的純金屬與純金屬，甚至不同類型的金屬相互結(jié)合，以獲得特定的工程特性。

圖4 Fabrisonic公司的UAM技術(shù)用一個焊接頭將各層金屬箔結(jié)合在一起

　　如果將鈦和鋁加熱熔化，然后重新凝固，最終會得到幾乎像玻璃一樣脆的金屬間化合物。UAM工藝由于無需熔化金屬，因此能在各層界面處實現(xiàn)固態(tài)冶金結(jié)合，而不會形成脆性金屬間化合物。
　　UAM工藝并非真正的冷焊，而是需要在93.3℃-121.1℃的溫度和454kg的壓力下才能實現(xiàn)各層材料的結(jié)合，但為了避免改變材料的冶金或晶粒結(jié)構(gòu)，并能在零件中嵌入電子器件，必須確保工作溫度不能太高。不過，焊接頭施加的作用力可能會對無支撐的懸伸特征造成一些問題。為了克服這些難題，F(xiàn)abrisonic公司通常會用專用立銑刀來加工懸伸特征，采用一些加工技巧，例如通過數(shù)控加工（而非3D打印）方式來獲得內(nèi)凹結(jié)構(gòu)。該技術(shù)的另一個用途是制造溫控器件（如用于服務(wù)器群的熱交換器）。Fabrisonic公司可以用銅來制造熱交換器熱源部位的零件，用重量較輕的鋁來制造結(jié)構(gòu)件，或用鋼來制造安裝零件。

圖5 由于無需熔化金屬，UAM技術(shù)使用戶可將電子器件嵌入零件之中

　　除了銷售混合型機床以外，F(xiàn)abrisonic公司還為客戶生產(chǎn)零部件，并且每年的增長率都達到兩位數(shù)。
　　柔性機器人環(huán)境（FRE）公司總裁、南達科他州礦業(yè)技術(shù)學(xué)院機械工程系教授Vojislav Kalanovic博士用“像搭樂高積木一樣靈活”來形容該公司的VDK6000混合型六軸機器人加工中心如何為適應(yīng)特定的加工任務(wù)而分配其自由度和工作空間。標(biāo)準(zhǔn)的增材制造系統(tǒng)有6個自由度，可以打印各種復(fù)雜零件，并同步操縱終端執(zhí)行器在三維空間中移動，實現(xiàn)打印頭相對于工件的全方位定向和定位。
　　該加工單元的配置可高可低，例如，預(yù)算緊張的用戶開始可以只配置3個自由度，以后再根據(jù)需要增加其他自由度，并且具有6個自由度的加工單元還可以額外配置一個冗余軸。此外，該加工單元的換刀機械手有4個工位，適用于不同的增材制造工藝，如等離子焊接、冷噴涂或直接金屬激光沉積（DMLD），而且還可以擴展到8個工位。
　　VDK6000的減材制造部分可以進行銑削、鉆削、磨削和拋光加工，還能在加工后對零件進行超聲檢測和驗證。用戶可以組合應(yīng)用多種工藝，模仿一個小型工廠的功能，這能節(jié)省大量時間，并能在一副夾具上完成通常需要在多種機床上才能完成的加工任務(wù)。

圖6 VDK6000機器人加工中心的換刀機械手有4個增材制造工位

　　購買該加工單元可能需要耗資60萬-130萬美元，其投資回收期約為12-14個月。該加工單元的體積約為4m×5m×4.5m，最大工作空間為1.2m×1.2m×0.9m。除了制造零件以外，它還能對重達80kg的零件進行修復(fù)加工。
　　為了控制成本，確保零件功能符合設(shè)計要求，以及保護操作者的人身安全，除了需要了解成型工藝以外，具備增材制造所需材料的相關(guān)知識也至關(guān)重要。
　　用松浦的混合型機床加工時，只消耗用于形成零件的材料，而成型室（其大小為254mm×254mm×177.8mm）中未使用的金屬粉末均可回收再用。制造零件常用的鋼粉（相當(dāng)于H-13鋼）價格昂貴（每公斤約為430美元），這部分是因為其粒度較�。�20—45μm），可提高零件表面光潔度，因此對其回收利用可以節(jié)約大量成本。
　　一般來說，由于材料成本較高，因此用該機床制造由多種材料構(gòu)成的零部件有些不切實際，因為一種粉末會在成型室中與其他種類的粉末混雜在一起，從而使這些粉末無法再次使用。
　　由于鋼粉的晶粒結(jié)構(gòu)與整塊鋼材不同，因此熱加工后不會發(fā)生翹曲，但其體積會均勻且可預(yù)測地收縮0.08%-0.1%，因此成型加工時需要額外增加一些材料。
　　對于不同類型的金屬粉末，需要采用不同的加工參數(shù)。如果所用激光束加熱不足，或移動速度過快，都無法獲得合適的熔體密度。對于每種類型的粉末材料，都必須確定合理的熔融參數(shù)。
　　有些金屬粉末需要的不僅僅是合理的熔融參數(shù)。對于一些易燃金屬粉末（如鈦粉和鋁粉），還必須配備通風(fēng)和吸塵設(shè)施。此外，由于一些金屬粉末（如鈦粉）不能暴露于氧氣中，因此在Lumex Avance-25機床上，從封裝到制成零件的整個處理過程都必須在100％的氬氣環(huán)境中進行。這是因為，一旦鈦粉接觸空氣或水，就會開始從空氣或水中吸收氧原子，并生成具有高爆燃性的氫氣。即便是用于清潔機床的真空吸塵器，也必須采用特定類型的濕式吸塵系統(tǒng)。
　　當(dāng)加工所用的金屬粉末粒度較大時，其處理和回收特性也會隨之改變。LaserTec技術(shù)使用的是粒度相對較大（50-200μm）的金屬粉末，與使用粒度更小的粉末相比，可以降低材料成本和易燃粉末發(fā)生燃燒和爆炸的風(fēng)險。對于鎂、鈦、鋁和其他化學(xué)特性活躍的金屬粉末，仍然需要采取專門的預(yù)防措施，但其危險性遠沒有超細粉末的危險性大。
　　由于這種粒度的高溫合金粉末每磅單價只略高于棒料或板材，因此可以在LaserTec機床上經(jīng)濟地生產(chǎn)多材質(zhì)零部件。此外，合金粉末的粒度越小，價格就越貴。在零件成型過程中，損失的粉末材料通常只占15%-20%，因此可以不考慮回收問題。過濾和凈化粉末所花的成本和精力使回收變得無利可圖。
　　在已有的鑄件或鍛件上進行成型打印也可以減少金屬粉末的消耗量，從而降低生產(chǎn)成本。這可使混合加工技術(shù)適用于至少中等批量的生產(chǎn)。該技術(shù)還能為快速成型加工增值，此類加工的目標(biāo)并不是提高產(chǎn)量，而是通過加快原型改進的迭代過程，更快將新產(chǎn)品推向市場。利用混合型機床，可以大大縮短從設(shè)計創(chuàng)意到產(chǎn)品零件的開發(fā)周期。

文章來源：工具技術(shù)