增/減材柔性制造及加工系統構成形式*

王公海 馮培鋒

(①嘉興南湖學院機械與建筑工程系，浙江 嘉興 314001；②集美大學機械與能源工程學院，福建 廈門361021)

1 增/減材柔性制造工藝及其內涵

增/減材柔性制造工藝是利用柔性制造技術[1-2]將增材制造、數控加工有機復合而成的一種多柔性加工方法。該工藝包含了單一增材制造、多材質混合串行增材制造[3]、多沉積頭混合并行增材制造[3]和三軸/五軸數控切削加工等多種增/減材加工，還可以在這些加工方式之間進行混合加工，包括增材制造方式之間的混合沉積加工，以及增材制造與數控切削加工間的混合增減材加工[4-5]。

2 增/減材柔性制造工藝流程

如圖1所示，增/減材柔性制造整體工藝流程是：首先零件前處理，主要是構建三維模型及其數字化處理，確定加工方式，確定沉積參數及數控加工參數；然后開始材料沉積，在復雜柔性增/減材混合加工工藝中，材料沉積有多種方式，且可以在不同的沉積工藝中進行材料堆積，實現沉積工藝柔性混合加工；材料沉積工序完成后，還可以送入到材料去除工序中，根據加工要求，選用不同的材料去除工藝進行減材加工。這種沉積工藝之間、材料沉積與材料去除之間多次反復交互進行加工，直至沉積工件柔性增/減材加工完成；最后轉沉積盤移到工件/托盤分離工位上，從沉積盤上將成型工件分離，然后集中送入到零件后處理設備中。

2.1 加工前處理

(1)待加工零件的數字化建模

三維建模可以采用多種軟件完成，常見的三維數據格式有STL、PLY和OBJ等，其中大部分增材制造軟件使用的是STL數據格式。但STL格式數據用三角形網格來表現三維CAD模型，只能描述三維物體的幾何信息，不支持顏色、材質等信息。PLY、OBJ 等雖然能表示模型的色彩信息，但不能表達材料信息。美國材料與試驗協會[6]提出了一種多材料增材制造文件格式，即AMF數據格式，它是以目前增材制造工藝所使用的“STL”格式為基礎、彌補了其弱點的數據格式，新格式能夠記錄顏色信息、材料信息及物體內部結構等。但該文件格式占用存儲空間比價大。微軟、惠普等7家企業組成的聯盟集團聯合開發了一種新的文件格式，即3MF文件格式[6]，相較于STL格式，它是一種基于XML的數據文件格式，3MF數據格式能夠更完整地描述3D模型，除了幾何信息外，還可以保持內部信息、顏色、材料和紋理等其他特征。幾種數據格式比較如表1所示。

表1 增材制造文件數據格式對比

結合增/減材柔性制造技術所面向的沉積工藝、沉積材料的多樣性特點，應該采用3MF格式的三維模型數據文件。目前，新版常見造型軟件，如SolidWorks2017版，都可以輸出該種格式的數據文件。后續針對復雜增/減材混合制造工藝編制的分層及控制軟件也應該基于該種文件格式開發。

(2)待加工零件的復雜柔性增減材工序間轉換

由于增/減材柔性制造需要在增材與增材之間，以及增材與減材之間來回切換，如果按照快速成型傳統的平面分層，由于分層過多，導致來回切換次數過多，嚴重影響增/減材混合加工的效率,沒有應用價值。所以只能采用多次堆積,形成一定厚度且具有一定幾何形狀層后再進行減材加工或另一材料的沉積加工，來減少沉積工件在各工位上的交換次數，進而提高沉積效率。而按照零件幾何形狀進行工序切換，在沉積過程中，由于工件的結構特點，分為幾個部分進行材料沉積，但這會由于層厚過厚而造成一次沉積的材料過多，使沉積后的材料冷卻時間延長，使材料的內部殘留應力增加，從而影響成形零件的性能。因此，在按照幾何形狀進行工序間交換的基礎上，還需要考慮沉積材料的性能特點以及減材加工的可加工性，綜合這些問題后，復雜柔性增減材的工序間轉換應該是上述兩種交換方法的有機結合。

基于增/減材柔性制造工藝對于零件增減材工序間轉換的特殊要求，在柔性增減材工序間的轉換時機上需要考慮更多的因素。因此柔性增減材工序間的轉換方法還有待深入研究。

2.2 增/減材柔性制造的材料沉積

(1)沉積方式及沉積材料

由于增/減材柔性制造中沉積工件需要在各設備之間來回穿梭，因此并不是所有的增材制造工藝及其沉積材料都可以成為增/減材柔性制造的沉積工藝，適合增/減材柔性制造工藝的沉積工藝要具備這些條件：

①沉積材料的材質、形狀在輸出端應該能呈一種線狀形式輸出，便于集成為1個沉積頭。因此對于液體材質而言，材料形狀應該是液滴型，粉末形狀應該采用同軸送粉方式。

②沉積工藝所采用的能量輸出端體積要小，與沉積材料一起能夠集成1個小體積的沉積頭，以便能通過機械手快速更換沉積頭，實現多種沉積工藝間的轉換。

③沉積工藝的配套環境要簡單。如增材制造中的電子束焊因為需要創造一個真空環境才能進行沉積，配套要求高。因此，這種沉積方式不適合集成到增/減材柔性制造系統中。

根據上述要求，現有比較適合增/減材柔性制造的沉積方式及沉積材料類型如表2所示。

表2 當前適合柔性增/減材混合加工的材料及沉積能源方式

(2)多種柔性沉積

增/減材柔性制造工藝中的材料沉積采用柔性、模塊化集成方式來構造多種沉積頭，實現多種柔性沉積[3]。依據增/減材柔性制造工藝中材料沉積方式的集成要求，結合現有成熟的沉積方式，可以構造出多種沉積方式。

以激光能源沉積粉末類材料為例來說明增/減材柔性制造中各種柔性沉積工藝的構成方式，因其他能源及材質的沉積組合方式與之相似，在此不再重復。

①單一材質單一噴頭沉積

沉積系統中，1種能量噴頭搭配1種材質的材料噴頭組合而成1個基本的沉積頭，實現單一材質的沉積。同種材質可以對應多個同能量級的能量噴頭以及多個結構相同的材料噴頭。這些基本的沉積頭是進行混合材料沉積的基礎。單一材質的沉積頭可以進行常規單一材質的材料沉積，也可以與其他噴頭一起進行混合沉積。

②多材質單能量噴頭柔性沉積

沉積系統中，1種能量噴頭搭配多種材質的材料噴頭組合而成1個混材的沉積頭，實現多材質單能量頭的混合沉積工藝。

③多材質多沉積頭柔性串行混合沉積

沉積系統中，多種不同材質的單一沉積頭在多個機械手的控制下按照順序進行沉積，組成多材質多沉積頭串行混合沉積工藝。該沉積方式也適合進行多材料的混合打印，以及帶有支撐結構的零件沉積。

④單一材質多沉積頭柔性并行混合沉積

沉積系統中，同一材質的多個沉積頭(在多個機械手的控制下同時進行零件沉積，組成單一材質多沉積頭并行混合沉積工藝。該沉積方式適合加工大尺寸零件，可以提高效率。

柔性復雜增/減材混合加工中的單一沉積頭在機械手的控制下實現沉積作業，與不同種類的沉積盤以及不同尺寸多角度擺動轉接臺組合，依據沉積工件幾何結構的不同，可以構造出多種沉積方式。

根據沉積工件因為幾何形狀的復雜性不同，以及加工時沉積頭需要移動的自由度數的不同，可以分成3種加工方式，即一般結構件沉積、復雜結構件沉積和一般/復雜結構件沉積。全一般結構的工件沉積方式是采用1個單元沉積頭、1個多自由度沉積頭移動機械手及相應數控程序，搭配1個相應規格的沉積盤構成。全復雜結構的工件沉積方式是采用1個單元沉積頭、1個多自由度沉積頭移動機械手及相應數控程序，搭配1個相應規格的沉積盤及相應尺寸規格的多角度擺動轉臺構成。一般/復雜結構的工件沉積方式是在1次沉積加工過程中，既有一般結構件的沉積加工也有復雜結構件的沉積加工。

2.3 柔性增減材混合加工

柔性增減材混合加工是在材料沉積、材料去除兩個工序中反復迭代，實現工件增減材制造的一種加工方式。依據沉積工件幾何結構的復雜程度，柔性采用不同的沉積方式，不同型號、不同移動自由度的切削刀具，以及相應的數控程序，將增減材混合加工分成一結構件的柔性增減材混合加工，復雜結構件的柔性增減材混合加工，以及一般/復雜結構件的柔性增減材混合加工。一般結構件的柔性增減材混合加工，是采用一般結構件的材料沉積工藝、三自由度移動的切削刀具及相應數控程序組合而成。復雜構件的柔性增減材混合加工是采用一般結構件的材料沉積工藝、四自由度移動的切削刀具及相應數控程序組合而成。一般/復雜構件的柔性增減材混合加工在一次增減材加工過程中，既有一般結構件的增減材加工，也有復雜結構件的增減材加工。

2.4 零件后處理

由于增/減材柔性制造工藝中，材料種類多，因此零件后處理工藝眾多，在此環節，只討論增/減材柔性制造工藝密切相關的沉積盤與工件分離工藝。

在大多數增材制造及增減材混合制造中，沉積工件與設備工作臺的分離沒有得到重視，還是依靠暴力拆卸方式，這很容易損壞工件及工作臺。針對增/減材柔性制造工藝，由于沉積方式多樣，多零件同時加工，因此原有的這種依靠人力拆卸的方式已經不適用，需要開發新的、自動化的工件/工作臺分離工藝。

在增/減材柔性制造系統中，對于金屬材料而言，材料與沉積盤的吸附緊密，通常采用暴力分離，容易損壞工件。因此應該采用一些新的工件與沉積盤分離裝置，比如針對導電的金屬材料采用臥式線切割工藝，可同時切割多個零件，效率高、不損壞工件。對于塑料材料，材料與沉積盤的結合不很緊密，只需較小的外力即可讓工件與沉積盤分離，因此仍可以采用機械式分離方法。

3 增/減材柔性制造系統構成形式

3.1 增/減材柔性制造系統加工設備構成

基于增/減材柔性制造工藝，進一步的分析，可得到如圖2所示的增/減材柔性制造系統組成設備及相互關系圖。

增/減材柔性制造系統的制造設備主要由以下各部分構成[7-9]：

①材料儲存及輸送設備。依照增/減材柔性制造工藝所采用的4種形狀材料及1種輔助沉積材料，每種形狀的材料又對應多種材質，每種材質對應1個儲存裝置，不同形狀材料，其儲存裝置形式不同。根據沉積工藝的發展，其儲存裝置可以進一步的添加。

輸送設備的作用是儲存裝置中的材料送至對應的材料噴頭上，1種材質對應1個或多個材料噴頭。粉末類、液體類、氣體類和顆粒類材料可以采用泵送，絲材采用機械式推送。

②材料沉積設備。材料沉積設備由沉積頭、沉積盤、多角度擺動轉接頭、夾具庫、多自由度機械手及其導軌構成。其中沉積頭由材料噴頭與能量噴頭組合而成，機械手通過使用夾具庫中的各種夾具頭來執行各種動作，如沉積頭的組裝，驅動沉積頭進行沉積作業，執行沉積盤、多角度擺動轉接臺的取放等動作。

③材料去除設備。材料去除設備采用多自由的數控銑削來進行材料去除，根據材料的不同可以三軸材料去除，或者四軸材料去除。

④沉積工件存放及與沉積盤分離設備。在系統中設置沉積工件存放架，沉積工件通過機械手將沉積工件連同沉積盤一起放置在存放架上。通過單獨的沉積工件/沉積盤分離設備，將沉積工件與沉積盤分離。

3.2 增/減材柔性制造系統加工設備布局形式

增/減材柔性制造系統的設備組成與布局如圖3所示，該制造系統采用龍門式布局，將材料去除設備布置在橫梁上，可沿橫梁移動，橫梁可以沿著Y向移動。材料去除設備的切削刀具可以做Z向移動及B向轉動，實現多自由度去除材料。柔性材料沉積部分由沉積設備本體、沉積頭庫、沉積盤庫、材料庫、多自由度機械手及U型導軌構成。多自由度機械手帶動沉積頭移動，實現沉積作業。多個多自由度機械手在U型導軌上移動，可以實現并行沉積及多材沉積。工作臺可以做Z向移動，便于材料沉積及材料去除。

4 結語

增/減材柔性制造工藝及其加工系統是在增減材制造工藝的基礎上引入柔性制造的思想，將沉積頭接口標準化，沉積頭集成化、小型化，利用多自由度機械手，讓單一沉積方式走向多沉積頭并行沉積及多材沉積，從而實現沉積方式的多樣化、柔性化，進而擴大增材制造的加工范圍。通過集成多自由度材料去除裝置，以滿足不同結構復雜度的沉積工件的材料去除，進一步提高增材制造的效率與精度。