搜索什么是增材制造？減材加工？ 高精度＋高價(jià)值
2017-05-16 by:CAE仿真在線 來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)
本文詳細(xì)介紹了現(xiàn)有的增減材復(fù)合加工技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀,并從硬件、軟件、控制系統(tǒng)的集成三個(gè)方面對(duì)增減材復(fù)合加工技術(shù)的技術(shù)原理進(jìn)行了闡述。最后基于現(xiàn)有復(fù)合加工技術(shù)的缺陷,指出了未來(lái)的研究重點(diǎn)與發(fā)展方向。
數(shù)控加工(減材制造)與增材制造的優(yōu)缺點(diǎn)具有很強(qiáng)的互補(bǔ)關(guān)系,如圖1所示。數(shù)控加工屬于“減材加工”,將數(shù)控加工與增材制造進(jìn)行有機(jī)集成,以實(shí)現(xiàn)增減材制造工藝的復(fù)合,不僅能夠提高生產(chǎn)效率,降低生產(chǎn)成本,拓寬產(chǎn)品原料加工范圍,還可以減少生產(chǎn)過(guò)程中切削液的使用,保護(hù)環(huán)境。尤其是對(duì)于經(jīng)常使用高硬度復(fù)合金屬材料、機(jī)密加工的民航工業(yè)以及國(guó)防工業(yè),增減材復(fù)合加工技術(shù)的推廣與應(yīng)用將促使相關(guān)產(chǎn)業(yè)迎來(lái)進(jìn)一步的飛躍,必將是下一步制造業(yè)關(guān)注的重點(diǎn)與熱點(diǎn)。
圖1 增材制造與減材制造的優(yōu)缺點(diǎn)互補(bǔ)關(guān)系
增減材復(fù)合制造的原理與方法
增減材復(fù)合加工技術(shù)是一種將產(chǎn)品設(shè)計(jì)、軟件控制以及增材制造與減材制造相結(jié)合的新技術(shù)。借助于計(jì)算機(jī)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(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)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(shù)和機(jī)加工參數(shù)生成增材制造加工路徑數(shù)控代碼, 最終成型三維實(shí)體零件。然后針對(duì)成形的三維的實(shí)體零件進(jìn)行測(cè)量與特征提取,并與CAD模型進(jìn)行對(duì)照尋找誤差區(qū)域后,基于減材制造,對(duì)零件進(jìn)行進(jìn)一步加工修正,直至滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求,基本流程如圖2所示。由此在同一臺(tái)機(jī)床上可實(shí)現(xiàn)“加減法”的加工,是現(xiàn)有的數(shù)控切削加工和3D打印組合的混合型方案。這樣,對(duì)于傳統(tǒng)切削加工無(wú)法實(shí)現(xiàn)的特殊幾何構(gòu)型或特殊材料的零件,近凈成形的階段可由增材制造承擔(dān),而后期的精加工與表面處理,則由傳統(tǒng)的減材加工承擔(dān)。由于在同一臺(tái)機(jī)床上完成所有加工工序,不僅避免了原本在多平臺(tái)加工時(shí)工件的夾持與取放所帶來(lái)的誤差積累,提高制造精度與生產(chǎn)效率,同時(shí)也節(jié)省了車間空間,降低制造成本。
增減材復(fù)合制造的主要關(guān)鍵技術(shù)
從復(fù)合加工技術(shù)的原理可以看出,該技術(shù)的實(shí)質(zhì)是CAD軟件驅(qū)動(dòng)下的三維堆積和機(jī)加工過(guò)程。因此,一個(gè)基本的復(fù)合加工系統(tǒng)應(yīng)該由以下幾個(gè)部分組成:CNC加工中心、沉積制造部分、送料系統(tǒng)、軟件控制系統(tǒng)以及輔助系統(tǒng)。其中涉及到的關(guān)鍵技術(shù)主要包括復(fù)合加工的集成方式、軟硬件平臺(tái)搭建和復(fù)合制造控制系統(tǒng)。
圖2 增減材復(fù)合加工原理
1.復(fù)合制造工藝集成方式
(1)基于直接能量沉積的復(fù)合加工集成。直接能量沉積(Directed Energy Deposition,DED)技術(shù)的原理為使用噴嘴將不同原材料推送至熔池,使用聚集的熱源將材料熔融后一層一層沉積在基板上,進(jìn)而成形,如圖3所示。目前對(duì)于金屬的增材制造以及增減材復(fù)合加工的集成,DED技術(shù)的應(yīng)用占了主導(dǎo)地位。
圖3 直接能量熔融技術(shù)原理圖
圖4(a)LASERTEC 65 3D
DMG Mori公司最新推出了一款LASERTEC 65 3D復(fù)合加工機(jī)床(見(jiàn)圖4a),它集成了激光熔覆(laser cladding)技術(shù)以及5軸數(shù)控加工技術(shù),可實(shí)現(xiàn)不同材料,如不銹鋼、鈦合金、鋁合金及鎳基合金等的復(fù)合加工。
圖4 (b)HYBRID HSTM 1500
Hamuel Reichenbacher公司推出了HYBRID HSTM 1500機(jī)床(見(jiàn)圖4b),其設(shè)計(jì)重點(diǎn)是用于高價(jià)值部件的修復(fù),集成了高速銑削/直接能量熔融(DED)、檢測(cè)、去毛刺與拋光等輔助工藝。
圖4 (c)INTEGREX i-400AM
Mazak公司推出了代號(hào)為INTEGREX i-400AM多功能機(jī)床(見(jiàn)圖4c),其特點(diǎn)是它集成了兩個(gè)Ambit激光熔融頭,一粗一細(xì),可分別負(fù)責(zé)高速熔融以及高精度熔融。它以一個(gè)5軸多功能加工中心為平臺(tái),用戶可以利用它對(duì)增材制造的部件進(jìn)行車銑與激光標(biāo)刻。
圖5 冷噴涂的基本實(shí)驗(yàn)裝置
(2)基于冷噴涂的增減材復(fù)合加工集成。冷噴涂技術(shù)(ColdSpraying)基本原理為賦予粉末狀原材料足夠的初速度,并將其噴射到基盤上造成不同材料之間的粘連,層層累計(jì)并達(dá)到零件的最終成型,如圖5所示。
目前對(duì)于冷噴涂技術(shù)中關(guān)于粒子臨界速度、涂層質(zhì)量的影響因素,以及涂層沉積機(jī)制等機(jī)理尚未明晰,冷噴涂技術(shù)仍在發(fā)展中,商業(yè)化應(yīng)用尚未普及。
圖6 粉床熔融技術(shù)原理圖
(3) 基于粉末融積的增減材復(fù)合加工。粉床熔融技術(shù)(Powder Bed Fusion,PBD)的原理為在準(zhǔn)備好的基板上一層一層鋪設(shè)材料粉末薄層,每鋪一層,聚集的熱源會(huì)根據(jù)成型件的幾何結(jié)構(gòu)在每一層特定的區(qū)域?qū)Σ牧线M(jìn)行熔融,緊接著鋪設(shè)下一層材料,重復(fù)上述步驟,層層累積,直至部件最終成型,如圖6所示。
圖7 Matsuura公司開(kāi)發(fā)的Lumex Avence-25機(jī)床
Matsuura公司的Lume xAvence-25機(jī)床(見(jiàn)圖7)將激光燒結(jié)技術(shù)與數(shù)控銑床集成在一個(gè)機(jī)床中。它省去了模具生產(chǎn)過(guò)程中的分模步驟,從而簡(jiǎn)化了制造工序。同時(shí)它也引入了復(fù)雜模具內(nèi)部造型,例如渦輪葉片冷卻通道的直接加工。區(qū)別于其它已經(jīng)商業(yè)化的機(jī)床,它采用為3軸數(shù)控機(jī)床,自由度較低。為了解決低自由度帶來(lái)的在銑削加工刀具干涉問(wèn)題,在每一層材料熔融完畢后,機(jī)床都會(huì)切換到減材加工程序?qū)?nèi)部特征區(qū)域進(jìn)行預(yù)加工。增材制造與減材加工隨著逐層的沉積交替運(yùn)行,保證了加工完成后工件的表面完整性。
(4)基于材料噴射成形技術(shù)的增減材復(fù)合加工。材料噴射(Material Jetting)技術(shù)的原理是利用類似打印機(jī)的墨水噴嘴將液化的原材料(例如蠟、光聚合物)按照特定的圖形噴射在基板上,待材料由液態(tài)變相為固態(tài)后,在原來(lái)已沉積好的材料上按照另外的圖形繼續(xù)噴射下一層材料,層層累積直至成型。
圖8 基于光敏聚合物的材料噴射成型原理
Stratasys公司推出了一系列基于PolyJet.技術(shù)3D打印產(chǎn)品,主要應(yīng)用于光敏聚合物。工作時(shí),噴嘴在XY平面進(jìn)行移動(dòng)并噴射聚合物材料,噴射完成后緊接著紫外線會(huì)對(duì)材料進(jìn)行照射加速材料固化,待材料完全固化后工作承托平臺(tái)會(huì)在Z方向降低一個(gè)涂層的距離,進(jìn)行下一層材料的噴射沉積制造(見(jiàn)圖8)。
2.復(fù)合制造機(jī)床軟硬件平臺(tái)
針對(duì)增減材加工工藝進(jìn)行的軟硬系統(tǒng)有機(jī)集成,可實(shí)現(xiàn)對(duì)待加工零件高效率、高品質(zhì)及低成本的批量化規(guī)模生產(chǎn),以保證高品質(zhì)產(chǎn)品的穩(wěn)定、一致化批量的產(chǎn)出。
圖9 (a)激光熔融噴嘴的硬件集成
圖9 (b)激光熔融噴嘴的硬件集成
以應(yīng)用直接能量沉積(DED)技術(shù)為例,較為典型的硬件集成方式為Kerschbaumer等人使用R.ders RFM 600 DS五軸高速切削加工機(jī)床以及Nd∶YAG激光熔覆噴嘴作為復(fù)合加工系統(tǒng),該系統(tǒng)采用送粉的原材料推送方式,實(shí)現(xiàn)了增減材復(fù)合加工機(jī)床的集成與控制。由于激光熔覆過(guò)程中,材料噴頭移動(dòng)較為緩慢以及整個(gè)噴嘴系統(tǒng)的重量較輕,故不需要額外準(zhǔn)備動(dòng)力系統(tǒng),直接用機(jī)床現(xiàn)有運(yùn)動(dòng)平臺(tái)。噴嘴系統(tǒng)集成于機(jī)床主軸有兩種方式,分別如圖9a和圖9b所示。
圖9a所示的方式是將激光熔覆噴嘴替換掉切削刀具,集成在機(jī)床主軸,這種方式在稍微犧牲了Z軸方向的工作范圍前提下,幾乎完全保留了XY平面的工作面積。但無(wú)法將激光熔融噴嘴集成在刀具庫(kù),因?yàn)閲娮炫涮子泄鈱?dǎo)管,水冷以及輸氣管等相關(guān)硬件,體積較大且集成難度高。圖9b所示的方式是將激光熔覆噴嘴集成在機(jī)床主軸的一側(cè)并與之平行,這種集成的方法保留了Z軸的活動(dòng)范圍,但在XY平面的活動(dòng)范圍有所犧牲,犧牲的范圍主要由激光噴嘴集成結(jié)構(gòu)的尺寸決定。因?yàn)榧す馄饕约跋嚓P(guān)組件是永久集成在機(jī)床主軸上,不需要將其與道具進(jìn)行切換,這樣大大降低了集成難度。最終采用了圖9b的集成方式,在集成激光熔覆噴嘴時(shí),使噴嘴的設(shè)計(jì)半徑盡量小并讓噴嘴所在軸盡量靠近機(jī)床主軸,從而盡量減少噴嘴的軸心偏離主軸的距離。這樣,在進(jìn)行增材制造時(shí),激光熔覆噴嘴在XY的活動(dòng)范圍與機(jī)床的設(shè)計(jì)范圍幾乎保持一致。
在增材制造系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中,目前材料鋪層主要有送絲與送粉兩種方式。其中送絲方式可實(shí)現(xiàn)近乎百分百原材料利用,但是在工藝控制較為困難, 成型后的零件易發(fā)生變形, 影響加工精度。送粉方式的材料利用率較低(<50%),但易定量控制,且工藝過(guò)程具有良好的魯棒性。系統(tǒng)工作時(shí),在理想條件下,送粉的材料經(jīng)由惰性氣體(氬氣)保護(hù),通過(guò)抗靜電導(dǎo)管進(jìn)入工作區(qū)域,送粉方向與激光射線方向同軸。送粉系統(tǒng)采用獨(dú)立控制單元,激光器與切削刀具采用一套運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu),具有5個(gè)自由度。由此,實(shí)現(xiàn)了增減材的加工復(fù)合。
軟件層面的系統(tǒng)集成需要解決三個(gè)主要關(guān)鍵技術(shù):
(1)支撐結(jié)構(gòu)的優(yōu)化問(wèn)題。由于制造的某些零部件具有復(fù)雜的幾何與拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),在逐層熔融的時(shí)候部分結(jié)構(gòu)懸空或者與零部件失去制造可達(dá)性,因此需采用支撐結(jié)構(gòu)加強(qiáng)和支持零件與構(gòu)建平臺(tái)的穩(wěn)定性;抑或在增減材交替加工過(guò)程中,需要部件不斷地變換方向,從而使得加工的熔融噴頭或者刀具能夠接觸到加工面。同時(shí)在集成的機(jī)床中,因?yàn)榈毒咭约叭廴谙到y(tǒng)所在的軸方向是固定的,為了能夠盡量減少支撐結(jié)構(gòu)跟部件的接觸面積以及無(wú)法觸及的部件面積,需要機(jī)床的平臺(tái)控制軟件不斷地優(yōu)化算法,根據(jù)不同的加工要求與工序調(diào)整部件的方位。這也是對(duì)機(jī)床CNC系統(tǒng)的要求。
圖10 采用STL格式輸出的實(shí)體分層
(2)由于在增材加工過(guò)程中,材料是一層一層累積的,因此分層處理十分重要,如圖10所示。但現(xiàn)有的分層算法以恒定厚度分層法為主,難以克服階梯變形問(wèn)題。對(duì)此,Zhang以及Liou提出基于每一層厚度以及鋪層方向,結(jié)合零件的幾何構(gòu)造進(jìn)行打印方向的自適應(yīng)調(diào)整,進(jìn)而決定加工工序。
(3)增減材加工工序的最優(yōu)化。在復(fù)合加工過(guò)程中, 大至增材制造、減材加工和測(cè)量(metrology-based proces)等工序相互切換的順序以及相匹配的支撐結(jié)構(gòu);小至增材制造激光熔覆噴嘴的軌跡、減材加工刀具的軌跡及加工參數(shù)等都需要在加工之前由相應(yīng)的軟件進(jìn)行事先的模擬,并作出最優(yōu)選擇。在軟件做出選擇的過(guò)程中,會(huì)結(jié)合制造可達(dá)性、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的改變以及機(jī)床的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)自由度等進(jìn)行綜合考慮。
3.復(fù)合制造機(jī)床控制系統(tǒng)
關(guān)于控制系統(tǒng),目前通常使用的方式是在機(jī)床原有的CNC控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,在系統(tǒng)的現(xiàn)有工作區(qū)域中引入新的增材加工設(shè)備。這需要NC系統(tǒng)不僅能夠生成刀具以及打印材料噴嘴的軌跡,而且能夠快速的在二者之間自由切換。對(duì)于增材制造設(shè)備,最為關(guān)鍵的是要靈活精準(zhǔn)地控制原料的送給速率以及激光能量。但目前的研究與應(yīng)用仍局限在以試錯(cuò)法為主的開(kāi)環(huán)系統(tǒng),即在增材制造之前,先決定好制造相關(guān)參數(shù),如激光的能量和進(jìn)料速率等。待制造完成后再對(duì)參數(shù)進(jìn)行評(píng)估與改進(jìn)。這種方式的局限性在于:在增材制造過(guò)程中,送料噴頭經(jīng)過(guò)帶有轉(zhuǎn)角的位置時(shí),噴頭會(huì)進(jìn)行短暫的停頓用來(lái)變向,但此時(shí)送料的速度不變,其結(jié)果就是造成局部材料過(guò)度沉積。至于專門為復(fù)合制造設(shè)計(jì)的閉環(huán)系統(tǒng),因?yàn)槠湓O(shè)計(jì)十分困難,不僅需要先進(jìn)的插入式測(cè)量技術(shù)獲取加工過(guò)程中的各種參數(shù),更要實(shí)時(shí)處理這些參數(shù)以及時(shí)地在加工過(guò)程中作出調(diào)整。
針對(duì)此問(wèn)題,Kerschbaumer等基于三階多項(xiàng)式,構(gòu)建了激光能量與原料送給速度的關(guān)系,實(shí)現(xiàn)了加工過(guò)程的全閉環(huán)控制,取得了良好效果。
未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)
由于基于增減材的復(fù)合加工技術(shù)研究剛剛起步,并牽涉到較為寬廣的技術(shù)學(xué)科,需要多學(xué)科的協(xié)同發(fā)展,具體來(lái)說(shuō)以下幾個(gè)方面是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。
1.模塊化的硬件系統(tǒng)
圖11 一種可重構(gòu)機(jī)床軟的硬件集成原理
硬件上, 集成結(jié)構(gòu)應(yīng)朝著模塊化發(fā)展,模塊化的硬件系統(tǒng)具有易于維護(hù)、易于交互及易于擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)。圖11所示為一種可重構(gòu)模塊化機(jī)床的集成設(shè)計(jì)原理圖,首先根據(jù)產(chǎn)品的復(fù)合加工要求,對(duì)現(xiàn)有的機(jī)床模塊進(jìn)行相應(yīng)的集成、替代以及刪除并將它們安裝在機(jī)床的合理位置, 形成新的機(jī)床模塊組成形式;然后基于控制軟件的模塊庫(kù),對(duì)應(yīng)于硬件模塊改變,控制模塊也進(jìn)行相應(yīng)的集成、替代以及刪除,并進(jìn)行保存,從而最終完成新產(chǎn)品的軟硬件平臺(tái)的搭建。此外,單硬件模塊也需要發(fā)展,如將增材制造的熔融噴頭以及相關(guān)的冷卻系統(tǒng)進(jìn)行整合,使其能夠順利收納入刀具庫(kù),并借以自動(dòng)換刀的過(guò)程,在切換工序的同時(shí),保護(hù)噴頭。熔融時(shí)的熱源也需要進(jìn)一步改進(jìn),以常用的激光為例,雖然其工作時(shí)對(duì)工件造成的熱效應(yīng)相對(duì)較弱,但激光的能量利用率比較低,隨著能量的增加,使用成本也迅速增加。針對(duì)減材加工,為了減少環(huán)境的污染,應(yīng)該發(fā)展高速切削加工從而實(shí)現(xiàn)干加工,減少切削液的使用。
2.智能化、集成化的軟件系統(tǒng)
圖12 智能化、集成化的系統(tǒng)示意圖
軟件系統(tǒng)的發(fā)展, 除了類似于硬件系統(tǒng)一樣需要向模塊化方向發(fā)展外, 更需要朝著智能化、集成化發(fā)展。在一個(gè)集成化的系統(tǒng)中, 一個(gè)工件的成型始于工件的CAD文件,CAD文件傳送至計(jì)算機(jī)輔助工藝過(guò)程設(shè)計(jì)(computer-aided processplanning,CAPP)軟件,將CAD模型拆分成一系列能夠在工程上實(shí)現(xiàn)的子特征,并規(guī)劃相應(yīng)的加工工序。對(duì)應(yīng)于具體的工序,加工過(guò)程中需要的一些特定參數(shù)和刀具的工作軌跡, 則依靠計(jì)算機(jī)輔助制造(Computer AidedManufacturing,CAM)軟件進(jìn)行說(shuō)明。值得注意的是這個(gè)過(guò)程并不是順序而下的,而是一個(gè)閉環(huán)的系統(tǒng),依托計(jì)算機(jī)輔助檢測(cè)(Computer-Aided Inspection,CAI)軟件,加工過(guò)程中工件實(shí)際的成型參數(shù)會(huì)實(shí)時(shí)的反饋給CAPP軟件進(jìn)行對(duì)比與修正,并在接下來(lái)的工序規(guī)劃中得到體現(xiàn),循環(huán)往復(fù)。伴隨著加工歷史的不斷增加,CAPP軟件的工序規(guī)劃也會(huì)越來(lái)越合理,實(shí)際加工產(chǎn)生的誤差也會(huì)越來(lái)越小,如圖12所示。
3.全閉環(huán)的機(jī)床控制方式
在增材過(guò)程中,如基于多傳感器技術(shù)將零部件的加工物理與幾何信息實(shí)時(shí)傳輸至控制系統(tǒng),如激光能量,鋪層角度與厚度,以確保增材過(guò)程的高效高精加工。針對(duì)復(fù)合加工過(guò)程,根據(jù)交變遞進(jìn)的加工工序,需要控制系統(tǒng)具有良好的魯棒性。因此如何實(shí)現(xiàn)對(duì)加工過(guò)程的實(shí)時(shí)檢測(cè)和反饋,形成閉環(huán)控制,需要進(jìn)一步地深入研究。
4.高精多源集成的檢測(cè)技術(shù)
為了滿足閉環(huán)系統(tǒng)的要求,需要有先進(jìn)的檢測(cè)手段。相比傳統(tǒng)的減材加工所具有的豐富成熟的檢測(cè)手段,增材制造的檢測(cè)技術(shù)較為單一。目前已應(yīng)用方法中,有的是結(jié)合高速攝像機(jī)與熱成像技術(shù), 測(cè)量直接能量沉積(DED)過(guò)程中熔池的溫度與幾何形狀;或者是結(jié)合高速攝像機(jī)與光電二極管,分別測(cè)量熔池的幾何構(gòu)造以及材料流量,并在閉環(huán)系統(tǒng)中實(shí)時(shí)控制原料的送給速度。因此,集成多種測(cè)量傳感器的檢測(cè)技術(shù)是下一步發(fā)展的重點(diǎn)之一。
結(jié)語(yǔ)
增減材復(fù)合制加工技術(shù)因其結(jié)合了增材制造與傳統(tǒng)減材加工的優(yōu)點(diǎn),對(duì)于軍事和航空等高價(jià)值、高精度加工領(lǐng)域具有重要的發(fā)展意義,正吸引著越來(lái)越多研究者的目光。
作者:廈門大學(xué)航空航天學(xué)院 董一巍 趙 奇 李曉琳
本文發(fā)表于《金屬加工(冷加工)》2016年第13期第7頁(yè),版權(quán)歸金屬加工雜志社所有,如轉(zhuǎn)載注明來(lái)源。
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