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(gè)放在瓶子中的船模,，但你并不是利用一個(gè)現(xiàn)成的瓶子,，而是對(duì)船模和瓶子一起進(jìn)行成型，并在造型的同時(shí),，對(duì)船模和瓶子表面進(jìn)行切削加工,。
　　增材與減材制造相結(jié)合的混合加工做一個(gè)類比。用3D打印機(jī)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(jìn)行后續(xù)加工,，因?yàn)楝F(xiàn)在其形狀特征已被封閉在瓶子中。
　　為了實(shí)現(xiàn)混合加工,，德馬吉森精機(jī)推出了LaserTec 65 3D混合型機(jī)床,。該機(jī)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(jì)劃今年（2015年）推出LaserTec 4300 3D機(jī)型，它將同樣的增材制造裝置集成到銑/車復(fù)合機(jī)床之中,，可以加工直徑達(dá)660mm,、長度達(dá)1500mm的工件。

圖1 DMG Mori的LaserTec 65 3D混合型機(jī)床

　　該機(jī)床采用的激光沉積工藝并不是在一塊底板上對(duì)金屬粉末進(jìn)行激光燒結(jié),，而是將金屬合金粉末噴到激光器的焦點(diǎn)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,。基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(jī)床可在底板上從無到有打印出一個(gè)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(jìn)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(gè)零件所需材料量的5％。
　　機(jī)床經(jīng)銷商MC機(jī)械公司也銷售一款由日本松浦（Matsuura）公司開發(fā)的混合型機(jī)床——Lumex Avance-25,。雖然該機(jī)床的增材制造部分被稱為直接金屬激光燒結(jié)（DMLS）,，但實(shí)際上該名稱并不準(zhǔn)確。MC公司其實(shí)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(duì)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(jī)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(jī)床工作臺(tái)上,。加工時(shí),，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(tái)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(shí)可能層數(shù)不同）,，該機(jī)床就要以高達(dá)45000r/min的轉(zhuǎn)速對(duì)工件進(jìn)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(duì)其進(jìn)行粗銑和半精銑加工,，然后用削柄銑刀進(jìn)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(shí),，其邊緣往往會(huì)略微收縮,。因此每打印10層材料就要進(jìn)行一次切削加工，以去除層間界線,。對(duì)于剛打印出來的工件廓形,，總是需要進(jìn)行精銑加工。

圖3 在Lumex Avance-25機(jī)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(jī)床上用專門設(shè)計(jì)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(shí)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(jìn)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(kuò)大到可在一臺(tái)工作空間達(dá)1.829m×1.829m的機(jī)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(shí)381-508mm3的成型速度,，用一個(gè)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(huì)造成焊接不牢,，因此UAM工藝?yán)��?0kHz的超聲振動(dòng)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(gè)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(huì)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(shí)現(xiàn)固態(tài)冶金結(jié)合,，而不會(huì)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(shí)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(huì)對(duì)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(huì)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(gè)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(jī)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(dá)到兩位數(shù)。
　　柔性機(jī)器人環(huán)境（FRE）公司總裁,、南達(dá)科他州礦業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)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(jī)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(gè)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(dòng),，實(shí)現(xiàn)打印頭相對(duì)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(gè)自由度，以后再根據(jù)需要增加其他自由度,，并且具有6個(gè)自由度的加工單元還可以額外配置一個(gè)冗余軸,。此外，該加工單元的換刀機(jī)械手有4個(gè)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(kuò)展到8個(gè)工位,。
　　VDK6000的減材制造部分可以進(jìn)行銑削、鉆削,、磨削和拋光加工,，還能在加工后對(duì)零件進(jìn)行超聲檢測和驗(yàn)證。用戶可以組合應(yīng)用多種工藝，模仿一個(gè)小型工廠的功能,，這能節(jié)省大量時(shí)間,，并能在一副夾具上完成通常需要在多種機(jī)床上才能完成的加工任務(wù)。

圖6 VDK6000機(jī)器人加工中心的換刀機(jī)械手有4個(gè)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(gè)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(duì)重達(dá)80kg的零件進(jìn)行修復(fù)加工。
　　為了控制成本,，確保零件功能符合設(shè)計(jì)要求,，以及保護(hù)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(shí)也至關(guān)重要,。
　　用松浦的混合型機(jī)床加工時(shí)，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(jià)格昂貴（每公斤約為430美元），這部分是因?yàn)槠淞６容^�,。�20—45μm）,，可提高零件表面光潔度，因此對(duì)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(jī)床制造由多種材料構(gòu)成的零部件有些不切實(shí)際,，因?yàn)橐环N粉末會(huì)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(huì)發(fā)生翹曲，但其體積會(huì)均勻且可預(yù)測地收縮0.08%-0.1%,，因此成型加工時(shí)需要額外增加一些材料,。
　　對(duì)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(dòng)速度過快，都無法獲得合適的熔體密度,。對(duì)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(duì)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(jī)床上,，從封裝到制成零件的整個(gè)處理過程都必須在100％的氬氣環(huán)境中進(jìn)行。這是因?yàn)�,，一旦鈦粉接觸空氣或水,，就會(huì)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(jī)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(shí),，其處理和回收特性也會(huì)隨之改變,。LaserTec技術(shù)使用的是粒度相對(duì)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(xiǎn),。對(duì)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(xiǎn)性遠(yuǎn)沒有超細(xì)粉末的危險(xiǎn)性大,。
　　由于這種粒度的高溫合金粉末每磅單價(jià)只略高于棒料或板材,，因此可以在LaserTec機(jī)床上經(jīng)濟(jì)地生產(chǎn)多材質(zhì)零部件。此外,，合金粉末的粒度越小,，價(jià)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(jìn)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(jìn)的迭代過程,，更快將新產(chǎn)品推向市場,。利用混合型機(jī)床，可以大大縮短從設(shè)計(jì)創(chuàng)意到產(chǎn)品零件的開發(fā)周期。

文章來源：工具技術(shù)