增材制造無疑是一種非常高效的制造方式，但在產品的幾何尺寸精度和表面光潔度方面，該工藝的效果不太理想，而傳統的數控機床屬于“減材加工”具有高精準度和易于切削加工等優點?？梢姕p材制造與增材制造的優缺點具有很強的互補關系。將數控加工與增材制造進行有機集成，以實現增減材制造工藝的復合，不僅能夠提高生產效率，降低生產成本，拓寬產品原料加工范圍，還可以減少生產過程中切削液的使用，保護環境，具有廣闊的應用前景。

 

增材制造與減材制造對比

 

　　結合不同工藝操作的混合機器，至少在一般的減材加工領域已經不是新鮮事。但是不同制造工藝在實際操作中很難互相配合(而且十分昂貴)，所以這種設備并不真正能夠提高制造速度，而是能夠帶來精確度的提高。增材和減材制造技術的組合研究已經有20多年歷史，但直到最近才在民用領域有一些應用經驗。第一臺商用混合機床是上世紀90年代末期日本的一項大學/工業聯合研究項目中開發出來的，是將激光粉末熔融與CNC加工相結合的機床。

 

　　增減材復合加工技術的特點

 

　　增減材復合加工技術是一種將產品設計、軟件控制以及增材制造與減材制造相結合的新技術。借助于計算機生成的CAD模型，并將其按一定的厚度分層，從而將零件的三維數據信息轉換為一系列的二維或三維輪廓幾何信息，層面幾何信息融合沉積參數和機加工參數生成增材制造加工路徑數控代碼，最終成型三維實體零件。然后針對成形的三維的實體零件進行測量與特征提取，并與CAD模型進行對照尋找誤差區域后，基于減材制造，對零件進行進一步加工修正，直至滿足產品設計要求。

 

 

　　由此在同一臺機床上可實現“加減法”的加工，是現有的數控切削加工和3D打印組合的混合型方案。這樣，對于傳統切削加工無法實現的特殊幾何構型或特殊材料的零件，近凈成形的階段可由增材制造承擔，而后期的精加工與表面處理，則由傳統的減材加工承擔。由于在同一臺機床上完成所有加工工序，不僅避免了原本在多平臺加工時工件的夾持與取放所帶來的誤差積累，提高制造精度與生產效率，同時也節省了車間空間，降低制造成本。

 

　　從復合加工技術的原理可以看出，該技術的實質是CAD軟件驅動下的三維堆積和機加工過程。因此，一個基本的復合加工系統應該由以下幾個部分組成：CNC加工中心、沉積制造部分、送料系統、軟件控制系統以及輔助系統。其中涉及到的關鍵技術主要包括復合加工的集成方式、軟硬件平臺搭建和復合制造控制系統。

 

 

 

　　隨著增材制造的發展以及其局限性的突出，國際上越來越多的學者和研究機構把目光轉向基于增減材的復合加工制造。相比于國內，國際上對基于增減材制造的復合加工技術的研究開展的比較早，研究的內容也比較多。但總的來說，該項技術仍然處于研究與探索階段。

 

　　目前主要新技術包括：形狀沉積制造技術(shape deposition manufacturing，SDM)、模具形狀沉積制造技術(MoldSDM)、控制金屬堆積技術(CMB)、基于堆焊的混合加工系統(ArcHLM)、選擇性激光熔覆復合加工技術(HSLM)、超聲波增材制造(UAM)、HPDM技術等。

 

 

SDM

 

Mold SDM

 

The principal process steps for the Assembly Mold SDM

 

　　國外增減材復合加工設備發展

 

　　目前增減材復合加工設備的復合制造工藝集成方式包括基于直接能量沉積(DED)的復合加工集成、基于粉末融積(PBD)的增減材復合加工、基于材料噴射成形技術的增減材復合加工、基于冷噴涂的增減材復合加工集成等。

 

　　成熟設備包括DMG Mori公司的LASERTEC 65 3D復合加工機床、Hamuel Reichenbacher公司的HYBRID HSTM 1500機床、Mazak公司的INTEGREX i-400AM多功能機床、Matsuura公司的Lume xAvence-25機床等。

 

　　2013年，Sauer&DMG Mori公司開發的Lasertech 65 Hybrid，并在德國舉行的歐洲模具展上展出。Lasertech 65 Hybrid實際是一款5軸的數控機床加上2千瓦的二極管激光打印頭。打印頭通過HSK接口與主軸連接，該設備先通過激光燒結的方式構建零件，然后轉向減材工藝。激光燒結采用的是將金屬粉末噴入激光束進行融熔沉積的方法。該設備的生成速度為3.5公斤/小時，比激光燒結快20倍。

 

DMG Mori公司的LASERTEC 65 3D復合加工機床

 

　　Hamuel Reichenbacher公司的HYBRID HSTM 1500機床(設計重點是用于高價值部件的修復，集成了高速銑削/直接能量熔融(DED)、檢測、去毛刺與拋光等輔助工藝。

 

 

Hamuel Reichenbacher公司的HYBRID HSTM 1500機床

 

　　日本松浦-Matsuura的LUMEX Avance-25金屬3D打印機，是世界上首個將金屬激光燒結增材制造技術與和高速銑削工藝結合在一起的綜合制造設備。GE石油天然氣集團在其日本新瀉縣的刈羽(Kariwa)工廠就采用松浦的這一設備來制造特殊配置的Masoneilan控制閥部件以用于整個能源行業的各種應用。

 

 

　　2015年，西班牙的San Sebastián Tecnalia研究中心、巴斯克大學(UPV-EHU)和機床制造商Ibarmia共同合作，也開發出了一款將3D打印技術與精密加工結合在一起的混合制造設備(見下圖)。這款混合型Add+Process最為獨特的是它既融合了基于激光的增材制造工藝又同時可以實現大型部件的銑削和翻轉。這一自動制造中心可以讓用戶從無到有地制造大型金屬部件或者修復高價的部件，同時也能實現精度很高的精加工。這臺機器使用的材料為精細的金屬粉末，它能夠以每分鐘40克的速度處理這些微米級的顆粒，使其按照指定的圖案精準地沉積，直到形成固體對象。與傳統的制造技術相比它可以節省高達60%的生產時間和材料。

 

 

 

　　除此之外， Matsuura、Sodick、Hermle、Cincinnati、ELB、Trumpf等西方國家傳統機床巨頭也都推出了機床加工+增材制造混合型設備。

 

　　國內增減材復合加工設備發展

 

　　五軸聯動增減混合加工中心處于技術前沿。目前，國際的機床巨頭在推出將3D打印增材制造與銑削加工技術相結合的新型五軸聯動加工中心，受到人們的廣泛關注。其實我國本土的增減混合五軸加工中心同樣功能強大，卻鮮為人知。

 

　　在2016年的第九屆中國數控機床展覽會中，就有數款復合機床展出，并且產品水平不斷提高。例如大連三壘的SVW80C-3D增減材復合五軸加工中心、青海華鼎的XF1200激光增減材五軸復合加工中心、大連光洋的KMC800U五軸銑車復合立式加工中心、魯南機床的VTC2040銑車復合柔性加工中心等都是國內技術水平較高的增減材復合五軸加工中心。

 

　　國產增減混合五軸加工中心相對于國際同類裝備具有更高的性價比。以大連三壘的SVW80C-3D為例，首先具有較大的行程，X，Y和Z軸分別可達800 mm，800 mm 和600 mm;其次機床精度較高，定位精度可達8μm，重復定位精度為5μm;再者打印工件尺寸較大，可達1000 mm x440 mm;沉積效率達到300cm3/h以上。SVW80C-3D使用光纖激光器，光電轉化效率高，維護使用成本低。性能參數高而售價低，SVW80C-3D具有很強的競爭優勢。

 

 

 

大連三壘SVW80C-3D加工過程及成品圖

 

　　免責聲明：本文內容根據非密公開性調研信息資料加工整理，內容僅供參考及學習交流使用，歡迎個人轉載分享，相關平臺或媒介如需轉載本文，必須與我們取得聯系獲得授權，否則由此引起的一切后果由轉載方承擔。相關知識產權或版權歸原作者所有，如涉及相關爭議，請及時與我們聯系，我們將在第一時間妥善處理。