增減材混合制造設(shè)備的發(fā)展現(xiàn)狀

林 郁 李 陽 高希坤 程 祥

（1、龍口礦業(yè)集團(tuán)有限公司，山東 龍口265700 2、山東理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山東 淄博255000）

1 概述

由增減材混合制造的原理可知，其設(shè)備的基本組成部分為3D 打印系統(tǒng)、數(shù)控切削系統(tǒng)與輔助系統(tǒng)。根據(jù)所包含的工藝、運(yùn)動平臺的類型、設(shè)備重構(gòu)的方法及增材與減材制造工藝的交互，增減材混合制造設(shè)備的硬件結(jié)構(gòu)主要是激光燒結(jié)與CNC 加工相結(jié)合，可以用工業(yè)機(jī)器人、3 軸或5 軸聯(lián)動切削加工機(jī)床、商業(yè)化的SLM機(jī)床等相結(jié)合，可以通過獨(dú)立的增材與減材機(jī)器（機(jī)器人交換工件）、將增材制造裝置安裝在主軸上（無刀庫）、在機(jī)床上安裝永久性的增材制造頭、或者是在商用SLM機(jī)床上進(jìn)行設(shè)備重構(gòu)來實現(xiàn)[1]。

可以看出，增減材混合制造設(shè)備大部分是基于商業(yè)化的機(jī)床進(jìn)行制作的，直接能量沉積在增減材混合制造設(shè)備的3D 打印中占據(jù)主導(dǎo)地位。

2 國外增減材混合制造設(shè)備發(fā)展現(xiàn)狀

在國外，由Optomec 公司主導(dǎo)，有洛克希德丁公司和美國陸軍貝尼特實驗室等參與，在數(shù)控機(jī)床上添加激光3D 打印裝置，并嵌入新型控制系統(tǒng)、軌跡規(guī)劃系統(tǒng)和質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)，形成增減材混合制造系統(tǒng)LENS 3D HY 20，如圖1 所示，可以制造加工不銹鋼、工具鋼、鈷鎳鐵合金、鎳基合金、鈷鉻合金、鎢及其他無電抗金屬等，混合成型尺寸為500mm×350mm×500mm，可以最多5 軸聯(lián)動，主軸轉(zhuǎn)速達(dá)30000min-1，刀庫容量為8 把刀具，采用500W 或1kW 激光器，配有冷卻裝置，最多可選4 個送粉器用于合金和功能梯度材料。

沙迪克公司的OPM350L，如圖2 所示，最大造型尺寸為350mm×350mm×350mm，采用摻鐿光纖激光器，激光波長為1070nm，最大輸出功率500W，可選1000W，采用電流式激光掃描方式，最大粉末供應(yīng)量為100Kg，氮?dú)夤?yīng)能力為90NL/min，銑削主軸轉(zhuǎn)速6000 ～45000min-1，最大扭矩0.8Nm，采用HSK-E25 型熱壓配合雙面約束刀夾，共有6 個數(shù)控軸，可實現(xiàn)4軸聯(lián)動，最小驅(qū)動單位0.031μm，最小設(shè)置單位為0.1μm。

DMG Mori Seiki 公司生產(chǎn)的LASERTEC 65 3D 復(fù)合制造機(jī)床，如圖3 所示[2]，將激光熔覆技術(shù)融合到五軸數(shù)控機(jī)床上，可實現(xiàn)鈦合金、不銹鋼、鋁合金及鎳基合金等不同材料的復(fù)合加工。采用了粉末噴嘴的激光堆焊技術(shù)，激光功率2500W，速度比粉床工藝快10 倍。主軸轉(zhuǎn)速可達(dá)20000min-1，刀庫最大容量為60 把，最大工件直徑達(dá)φ600mm，高度達(dá)400mm 和最大重量達(dá)600kg。

圖1 LENS 3D HY 20

圖2 OPM350L

圖3 LASERTEC 65

Hamuel Reichenbacher 公司生產(chǎn)的HYBRID HSTM 1500機(jī)床，如圖4 所示[2]，集直接能量熔融與高速銑削于一體，主要用于高精度部件的修整，包括去毛刺與拋光等輔助加工。

Mazak 公司生產(chǎn)的INTEGREX i-400AM 增減材復(fù)合制造機(jī)床，如圖5 所示[2]，融合了五軸車銑復(fù)合加工中心與兩個Ambit 激光熔融頭，增材制造可通過一粗一細(xì)的激光熔融頭實現(xiàn)高速熔融以及高精度熔融加工，然后利用加工中心對增材制造的部件進(jìn)行車銑與激光雕刻。特別適合于加工小批量、難加工材料產(chǎn)品，如航空航天領(lǐng)域耐熱合金零部件、能源領(lǐng)域高硬度材料工具和零部件、醫(yī)療設(shè)備領(lǐng)域高精度特種合金零部件。應(yīng)用該機(jī)床通過增材制造的方法很容易地在零部件上添加出“近凈成形”的產(chǎn)品構(gòu)件，然后通過銑削的方式迅速完成精加工任務(wù)。

圖4 能量熔融與高速銑削混合制造機(jī)床HYBRID HSTM 1500

圖5 5 軸聯(lián)動增減材復(fù)合制造機(jī)床INTEGREX i-400AM

Matsuura 公司推出了3 軸立式銑床與激光燒結(jié)復(fù)合制造機(jī)床LUMEX Advance-25，如圖6 所示，采用光纖激光器，標(biāo)準(zhǔn)輸出激光功率為200W，刀庫容量20 把，最大加工工件250mm×250mm×185mm，最大工件重量為90kg，銑削主軸最大轉(zhuǎn)速45000min-1。

圖6 LUMEX Advance-25

圖7 3D 打印與磨削混合制造機(jī)床millGrind

Hybrid Manufacturing Technologies 公司與德國ELB 磨床有限公司合作，研發(fā)出了全球首臺緩進(jìn)給磨床配置激光金屬沉積與銑削一體設(shè)備millGrind，如圖7 所示，是一臺連續(xù)修正緩進(jìn)給磨床，配備Ambit 激光金屬沉積與銑削功能，millGrind 采用具備超硬磨料性能的常規(guī)磨料，具備0.1μm 的X、Y、Z 軸運(yùn)動分辨率，磨輪之間的轉(zhuǎn)換可于數(shù)秒內(nèi)完成，每分鐘8000 轉(zhuǎn)數(shù)的主軸可自動換刀，用于鉆孔、攻絲及其它銑削操作。該混合機(jī)床減少了制成零件所需的安裝數(shù)量，從而具備更高的靈活性，特別適合航空航天應(yīng)用。

葡萄牙工具制造商Adira 開發(fā)出了混合金屬增減材混合制造機(jī)床，如圖8 所示，融合了粉床熔融（PBF）和直接金屬沉積（DMD）2 種金屬3D 打印技術(shù)進(jìn)行增材制造，配備了包含激光切割在內(nèi)的多種工具頭進(jìn)行減材制造，粉床面積為960mm×960mm，直接沉積區(qū)域面積為1500mm×1500mm，打印件處理區(qū)域面積為300mm×300mm。

圖8 混合金屬增減材混合制造機(jī)床

圖9 大型石墨強(qiáng)化復(fù)合制造機(jī)床

除了以上用于金屬材料增減材混合制造的設(shè)備，還有專門用戶塑性材料的設(shè)備，如美國Thermwood 公司研制了生產(chǎn)大型石墨強(qiáng)化復(fù)合熱塑性部件的增減材混合制造機(jī)床，如圖9 所示，是在原先的大型5 軸加工機(jī)床Thermwood Model 77 上加裝了一個龍門架，其上還搭載了一臺能夠加熱和熔化石墨的大型擠出機(jī)，可制作工件尺寸超過3000mm×3000mm×15000mm，擠出機(jī)功率15kW，噴嘴直徑44.5mm。

3 國內(nèi)增減材混合制造設(shè)備發(fā)展現(xiàn)狀

在國內(nèi)，大連三壘機(jī)器股份有限公司研發(fā)的SVW80C-3D增減材復(fù)合五軸加工中心，如圖10 所示，是金屬噴粉激光熔融與立式加工中心復(fù)合機(jī)床。采用光纖二極管激光器，激光器功率2kW，工件最大回轉(zhuǎn)直徑1000mm，工作臺最大承載850kg，主電動機(jī)最大功率36kW，主軸最高轉(zhuǎn)速12000min-1，X/Y/Z 軸行程800mm/800mm/600mm，X/Y/Z 快移速度48m/min，A/C 軸轉(zhuǎn)動范圍±120°/360°。

圖10 五軸復(fù)合機(jī)SVW80C-3D

青海華鼎裝備制造有限公司研制出的XF1200 激光增減材五軸復(fù)合加工中心，如圖11 所示，是金屬噴粉激光熔融與立式加工中心復(fù)合機(jī)床。其激光器功率1200W，最高送粉速率15g/m in，工件壁厚1～5mm，轉(zhuǎn)速20000min-1，刀柄采用HSK-A63，X/Y/Z 軸行程600mm/450mm/450mm，B/C 軸回轉(zhuǎn)范圍-115°～+30°/360°。

圖11 五軸復(fù)合加工中心XF1200

上海航天一亙智能科技有限公司推出了5 軸3D 打印增減材復(fù)合加工中心VMF60-3D，如圖12 所示，采用銑削主軸的功率為30kw，轉(zhuǎn)速20000min-1，刀庫容量為30 把，激光掃描率為6mm/s，送粉速率為10g/min，主要由床身、滑鞍、滑枕、高性能銑削主軸、回轉(zhuǎn)工作臺、內(nèi)藏旋轉(zhuǎn)式大容量刀庫、全防護(hù)、液壓系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、有效的切屑和冷卻液管理裝置、刀具及加工監(jiān)測反饋系統(tǒng)等部件組成。激光增材系統(tǒng)由激光熔覆快速成形光內(nèi)同軸送粉噴頭（包括直角準(zhǔn)直鏡和標(biāo)準(zhǔn)刀柄HSK-A63）、激光發(fā)生器（1.2KW，含400um 芯徑的傳輸光纖15m）、冷水機(jī)組、送粉器、惰性氣體等部分組成。數(shù)控系統(tǒng)采用HEIDENHAIN iTNC 530 系統(tǒng)，可實現(xiàn)高效的自動換刀和復(fù)雜曲面成型、加工。

圖12 復(fù)合加工中心VMF60-3D

武漢天昱智能制造有限公司與華中科技大學(xué)合作開發(fā)的微鑄鍛銑一體化增材制造機(jī)床，如圖13 所示，是針對航空、航天等行業(yè)對大型鈦合金結(jié)構(gòu)件的一體化制造需求而研發(fā)的，集成了電弧/等離子弧快速成形、柔性微型軋制、數(shù)控加工、惰性氣氛保護(hù)等多種技術(shù)于一體，在熔積成形過程中對熔積工藝參數(shù)、熔積層表面形貌、制件冶金質(zhì)量進(jìn)行在線實時檢測，對于在增材成形過程中產(chǎn)生的表面裂紋、未熔合、氣孔、夾渣等缺陷的無損檢測，采用多種無損探傷集成裝置，判定缺陷的大小、位置、性質(zhì)和數(shù)量；采用快掃紅外熱像儀測量成形件的溫度場和熱循環(huán)曲線、視覺成像分析診斷系統(tǒng)，監(jiān)測電弧弧柱特征和熔池形態(tài)，并進(jìn)行數(shù)控減材加工，達(dá)到制造件的質(zhì)量要求。

圖13 微鑄鍛銑復(fù)合增材制造機(jī)床

北京機(jī)電院機(jī)床有限公司研制出了XKR40-Hybrid 增減材復(fù)合制造機(jī)床，如圖14 所示，具有X、Y、Z 三個直線軸和A、C兩個回轉(zhuǎn)軸，A 軸擺角+10°～-110°，C 軸由力矩電機(jī)驅(qū)動，可360°伺服旋轉(zhuǎn)。該增減材復(fù)合機(jī)床的切削主軸和激光增材制造單元均可實現(xiàn)三軸直線移動，工件裝卡在搖籃轉(zhuǎn)臺上可實現(xiàn)兩個回轉(zhuǎn)運(yùn)動。應(yīng)用五軸切削加工技術(shù)和激光層積技術(shù)、CAM技術(shù)、測量技術(shù)，該增減材復(fù)合機(jī)床可完成不同行業(yè)具有復(fù)雜空間曲面形狀零件（如葉盤、葉輪、葉片、模具、傳動部件等）的增減材加工和修復(fù)，亦可實現(xiàn)由多種材料構(gòu)成的零件的制造。相比較于其他增材方式和機(jī)床，XKR40-Hybrid 增減材復(fù)合機(jī)床能在一次裝夾下完成復(fù)雜零件的增材及減材加工，達(dá)到更高的精度和效率，同時，由于采用了自動送絲和激光層積技術(shù)，在材料的可獲得性、材料成本、材料均勻性、生產(chǎn)效率、工藝穩(wěn)定性等方面，都體現(xiàn)了較大的優(yōu)勢。

圖14 五軸復(fù)合制造機(jī)床XKR40-Hybrid

圖15 塑形材料混合制造機(jī)床

山東理工大學(xué)針對人工骨的個性化定制，如下頜骨、脊柱椎融合器等，研發(fā)了FDM與銑削的增減材混合制造機(jī)床，如圖15 所示，采用3.5 軸的配置方式，其中，三個直線軸的行程為400mm×200mm×200mm，B 軸用于增材噴嘴與減材主軸的分度，銑削主軸轉(zhuǎn)速可達(dá)20000min-1，可以直接3D 打印聚醚醚酮線材，然后進(jìn)行銑削加工。

4 結(jié)論

由以上國內(nèi)外增減材混合制造設(shè)備的研發(fā)現(xiàn)狀可以看出，國外針對增減材混合制造的研發(fā)起步早，已出現(xiàn)了一批商業(yè)化的增減材混合制造機(jī)床。國內(nèi)針對增減材混合制造的研發(fā)起步較晚，但是研發(fā)勢頭較強(qiáng)，正在迎頭趕上，而且還出現(xiàn)了國外所沒有的一些特色增減材混合制造機(jī)床。隨著增減材復(fù)合制造技術(shù)的發(fā)展和逐漸成熟，將涌現(xiàn)出越來越多功能強(qiáng)大的復(fù)合制造設(shè)備，涵蓋越來越多的應(yīng)用領(lǐng)域。