基于增减材制造的复合加工技术解析

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将增材制造(3D打印)与减材制造两种技术相结合目前可以说是越来越流行了,因为这样可以同时得到二者的优点。所以迄今为止,这样的混合加工设备已经出现了不少。接下来小编就为大家解析基于增减材制造的复合加工技术。

与传统的减材制造相比,增材制造其具有以下优点: 

1.可迅速制造出自由曲面和更为复杂形态的零件,如零件中的凹槽、凸肩和复杂的内流道等。 

2.材料利用率高,尤其是对昂贵的稀有材料来说,可大大降低成本。 

3.高度自动化,人工干预小。

4.加工效率高,尤其对难加工材料,能快速制作出产品实体模型及模具。 

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RP技术的研究源于上个世纪80年代中期。早期的RP技术主要应用于进行结构、装配、产品功能验证与测试,使用的材料仅局限于塑料、纸品、聚合物等。比如SLA(光固化立体成形)、SLS(选择性激光烧结)、FDM(融化沉积制造)、LOM(薄片层叠制造)等等已经广泛商业化的技术。随着技术的发展,RP技术的研究越来越集中于功能性产品的直接成形,使用材料为金属、陶瓷、合金以及各种功能性复合材料,这些技术包括Lasercladding(激光熔覆)、3WEelding(三维堆焊)、LENZ(激光近成形制造)、DMD(金属直接沉积制造)、SLM(选择性激光融化)、PDM(等离子熔积制造)、EBM(电子束熔融制造)等。

但是几乎所有的RP技术,几何尺寸精度和表面光洁度都不太理想,需要进行后处理,包括热处理、机加工(铣削、钻削)和抛光加工。这是由于其本身离散化过程中大都采用STL格式和二维的分层技术,从而造成尺寸的误差和阶梯效应。一般来说,分层厚度越小精度越高,但同样所需的时间也越长,从而增加了成本。而传统的机加工尤其是数控加工具有高精度、高效率、加工柔性好、工艺规划简单等特点,正好能够 弥补上述RP技术的缺点。因此,将增材制造(RP)和 减材制造(CNC)有效的结合,产生一种新的复合加工技术,具有广阔的应用前景。图1所示为增减材制造特征结合的技术优势。 

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1 基于增减材制造的复合加工技术原理及特点 

基于增减材制造的复合加工技术是从面向制造的产品设计阶段、软件控制设计阶段以及加工阶段将增材制造和减材制造相结合的一种新的技术。该技术是一种添加/去除材料的过程,以“离散-堆积-控制”的成型原理为基础,如图2所示。首先在计算机中生成最终功能零件的三维CAD模型;然后将该模型按一定的厚度分层切片,即将零件的三维数据信息转换为一系列的二维或三维轮廓几何信息,层面几何信息融合沉积参数和机加工参数生成扫描路径数控代码,成型系统按照轮廓轨迹逐层扫描堆积材料和加工控制(对轮廓或表面进行机加工);最终成型三维实体零件。

从复合加工技术的原理可以看出,该技术与RP技术的基本思路是一致的,其实质就是CAD软件驱动下的三维堆积和机加工过程。由于采用机加工控制来消除台阶效应,并保证精度,因此在沉积过程中可以采取大喷头和大厚度等低分辨率的沉积来提高加工速度。一个基本的复合加工快速成型系统应该由以下几个部分组成:3或5轴CNC立式加工中心(由于大部分RP系统都是立式结构,所以该加工中心也应该是立式结构),沉积制造部分,送料系统,软件控制系统,辅助系统。 

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2 基于增减材制造的复合加工技术研究分析 

随着增材制造的发展以及其局限性的突出,国 际上越来越多的学者和研究机构把目光转向基于增减材的复合加工制造。相比于国内,国际上对基于增减材制造的复合加工技术的研究开展的比较早,研究的内容也比较多。但总的来说,该项技术仍然处于 研究与探索阶段。

2.1形状沉积制造技术(SDM) 

形状沉积制造技术最早由美国斯坦福大学研究发展,他们将去 除法和添加法结合在一起,形成自己的SDM技术, 所用材料分为成形材料和支撑材料,包括不锈钢、钛 合金、铝合金、铜合金等,所成形的零件具有很高的 精度。基本过程如图3所示,每沉积完一层材料,用数控加工的方法(3或5轴加工中心)将该层零件 或支撑材料加工成形到零件的表面外形后继续下一 层的沉积,最后去除支撑材料。 

SDM添加材料的过程根据零件的材料可采用不 同的方法,其几何分层方法可以采用三维的具有任 意厚度且不一定是平面的几何分层,如图4所示。 因此零件精度与分层的厚度无关,可以采用大厚度 分层来提高零件的制造速度,并可消除常规的快速 原型制造方法制造的带有倾斜表面的零件中常见的 台阶效应,得到光滑的零件表面。Jorge等人研究了SDM技术在仿生机器人中的应用,并制备了具有功 能梯度和嵌入结构的组件,如图5所示。 

 

2.2模具形状沉积制造技术(MoldSDM) 

模具形状沉积制造是在形状沉积制造基础上演变而来的。MoldSDM特点是:首先采用SDM方法制备模具,然后再进行注塑/浇注成型,如图6所示。MoldSDM成型过程需要三种不同材料:支撑材料、模具材料和零件材料。支撑材料部分定义了模具的型腔,围绕在支撑材料周边的模具材料部分定义的是模具本身,可以简单地把工艺过程划分为四步:采用SDM技术逐层叠加成型(1-4步);去除支撑材料(5步);注塑/浇注(6步);去除模具材料,机加工最终成形(7、8步)。 MoldSDM技术相比于SDM技术的优势在于:由于最终零件的成型采用的是注塑/浇注方法,所以成型零件没有分层分界线,模具(5步)有两条分层分界线,支撑部分(3、4步)有一条分界线,特别适用于像陶瓷这类易于产生缺陷和层间粘结性差的材料,对难加工材料来说,可大大减少机加工部分。 

MoldSDM可以制造出高性能的功能性零件以及预装配组件和具有梯度功能材料的零件。其成型件质量主要取决于模具和支撑材料的材料特性,主要有:低的伸缩率可以减少成型件的翘曲变形;好的结合性可以承受更大的切削力,减小切削力对变形的影响;高的化学相容性可以获得更均匀的微观组织;去除性好的支撑材料可以降低去除支撑时对成型件的影响。

但是,MoldSDM技术才有自身的缺点:

一是,可使用的材料种类少。由于成型过程中增加了额外的材料,要求其具有良好的相容性以及可加工性, 因而限制了可使用材料的范围;

二是,额外的注塑/浇注和模具去除部分增加了成型过程时间;

三是,成 型件尺寸较小。

2.3控制金属堆积技术(CMB)

德国弗朗和夫生产技术研究所融合材料添加和去除方法开发了控制金属堆积技术(ControlledMetalBuildupCMB),该技术原理和LENS/DLF相似,只是在CMB系统上配备了铣切装置,在扫描沉积了一层后,利用铣切来加工每一层的表面轮廓使之平整,这样就改善了零件的精度和表面光洁度。据报道在制 造不锈钢零件时,可以达到100%致密度。该系统增材工艺采用同轴送丝激光熔覆技术,所用材料为所有可焊接金属。

CMB系统主体是一个三轴立式铣削机床,沉积部分(包含激光源、送丝机构和气体保护装置)安装于主轴旁边。其过程为:沉积—铣削—沉积,如图7所示。铣削时,气动装置驱动沉积装置向上运动,已达到对沉积装置的保护以及消除和工件之间的干涉。由于每一层沉积时都有气体保护防止氧化,沉积后都进行平面铣削和仿形铣削来保证轮廓和表面精度,所以最终成型零件的精度很高,而且零件内部几乎没有缺陷。德国弗朗和夫生产技术研究所生产的CMB系统主要用于模具生产,零件成形尺寸可达600mm×600mm×600mm,精度可达0.02mm。目前该技术研究所正致力于基于五轴或六轴加工中心的高度自动化CMB技术开发研究。 

2.4基于堆焊的混合加工系统(ArcHLM)

印度理工学院Akula等人研究了一种基于堆焊的混合加工系统。ArcHLM系统将脉冲惰性气体保护焊机集成到一个三轴的数控机床上,并通过定制的软件系统进行控制,其基本过程(图8所示)和CMB技术相同,只是沉积扫描一层后,只进行平面铣削(去除缺陷及氧化层,保证达到预置的厚度),直到近净成形件完成,最后进行仿形铣削(消除台阶效应,保证尺寸精度及表面光洁度)。

该系统优点是:高度自动化;材料为焊材,经济、快速(沉积速度50~100g/min)、安全;焊头安装在主轴上,改装简单;成型精度高,表面质量好。ArcHLM系统热量输入低,提高了成型质量的同时牺牲了成型时间;由于采用堆焊而不是激光沉积成型,该系统不适应于具有过度复杂和精细结构的零件,同时不能成形不同成分和组织的梯度功能材料结构。图9所示为ArcHLM设备。 ArcHLM整个过程可以分为三部分:零件的近净 成形;热处理;对近净成形零件精加工,如图10所示。

零件的近净成形步骤为:

第一步,采用零阶近似边缘 和自适应分层(变厚度分层)技术自下而上进行分 层,生成每一层的沉积扫描路径和面铣削路径以及相互转换的M08和M09代码;

第二步,安装尽可能厚的基板;

第三步,设置工艺参数(功率、焊材直径、扫描方式、层厚、焊道宽度、加工余量、扫描速率、铣削参数以及Z轴控制参数等);

第四步,在基板上沉积较厚的底层以承受大热量输入,并对基板预热以获得好的粒度分布;

第五步,对每一层进行平面铣削来消除缺陷和去除氧化层,以获得良好的表面质量和达到设置的层厚;

第六步,重复4和5步直到近净成形完成。在整个过程中,进行热处理来消除零件内应力以及改善机械性能和提高疲劳寿命,由ArcHLM软件生成的NC代码驱动平头/球头铣刀自上而下进行精加工,完成轮廓表面或其他表面的处理。

图11所示为ArcHLM软件系统生成的数控代码。 和Akula团队一样,韩国科学技术研究所Yong-AkSong团队研发了一种三维焊接和铣削复合加工系统,其过程原理及主体和ArcHLM基本相同,该系统每一层沉积厚度范围在0.5~1.5mm之间,铣削后在0.1~1mm之间。表1为SLS、LENS、3DWM工艺对比参数。

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