金屬3D打印一體化制造在復(fù)合機(jī)床中的應(yīng)用

【摘? 要】為滿足高端制造要求，將金屬3D打印的集成增材制造技術(shù)和傳統(tǒng)減材制造功能相結(jié)合形成復(fù)合機(jī)床，，以充分發(fā)揮兩種技術(shù)的優(yōu)勢。在此基礎(chǔ)上，介紹了兩種主流復(fù)合機(jī)床的工藝特點(diǎn)、在制造業(yè)的應(yīng)用以及與機(jī)器學(xué)習(xí)相結(jié)合的技術(shù)，最后分析了復(fù)合機(jī)床的發(fā)展?jié)摿εc挑戰(zhàn)。

【關(guān)鍵詞】金屬3D打印 3D打印復(fù)合加工 機(jī)器學(xué)習(xí)

中圖分類號(hào)：TP391.7文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2019）11（c）-0000-00

0? 引言

為提升制造業(yè)高端制造要求，有效降低制造時(shí)間與成本，不斷提高產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)一步增強(qiáng)市場競爭力，發(fā)展復(fù)合制造系統(tǒng)逐漸成為復(fù)雜零件制造與維修的工業(yè)解決方案。2011年，Nasseh[1]提出了一種基于技術(shù)分類的方法，可以將增材和減材制造集成到一臺(tái)復(fù)合機(jī)床中，包括了連接、分割、減材、轉(zhuǎn)化和增材等操作。在現(xiàn)有的金屬添加劑制造技術(shù)中，主要采用粉末床熔合（PBF）和定向能量沉積（DED）工藝[2]，幾乎所有可焊金屬都可以用這兩種技術(shù)進(jìn)行加工。圖1顯示了主要的增材和減材工藝組合過程。

1? 金屬3D打印工藝基礎(chǔ)

1.1? DED工藝

DED工藝定義為“使用聚焦熱能（如激光、電子束或等離子弧）在沉積過程中熔化材料的增材制造工藝”。在不同的電解加工方法中，應(yīng)用最廣泛的是激光金屬沉淀（LMD），通常用于制備全致密涂層和功能金屬零件。如圖2所示，此過程中填充材料以粉末或金屬絲的形式進(jìn)行供給，金屬材料通過噴嘴直接噴射到高功率激光器的焦點(diǎn)上，從而形成一個(gè)熔化的金屬池。該金屬池使用運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)控制移動(dòng)，并與基體結(jié)合形成隨后的層，進(jìn)而獲得所需的幾何形狀[3]。

工業(yè)中常見材料都可以通過LMD進(jìn)行加工，但是LMD技術(shù)的應(yīng)用也會(huì)產(chǎn)生一些不好的情況，比如較低的精度和較差的表面質(zhì)量[4]。因此，需要在LMD過程中進(jìn)行連續(xù)的糾正措施，才能滿足產(chǎn)品制造要求。

1.2 PBF過程的基礎(chǔ)

粉末床熔融（PBF）工藝是基于一個(gè)或多個(gè)熱源（通常是激光）對(duì)預(yù)先沉積的粉末床中確定的區(qū)域進(jìn)行選擇性熔融，從而產(chǎn)生一層薄薄的材料。這個(gè)過程是一層一層的重復(fù)，直到所需的固體被建立起來，見圖3。一旦這個(gè)過程完成，零件完成，沒有被融化的金屬粉末可以被篩選和再利用。

PBF技術(shù)可以加工的材料很廣泛，包括金屬、陶瓷、聚合物和復(fù)合材料，其主要應(yīng)用于制造高復(fù)雜度的零件。與傳統(tǒng)的成形技術(shù)相比，PBF工藝的構(gòu)建速度相對(duì)較慢，但具有較高的復(fù)雜度和較好的表面光潔度。此外，制造平臺(tái)的大小仍然限制著制造部件的大小[5]。

2? 金屬3D打印一體化制造應(yīng)用和發(fā)展趨勢

盡管增材制造具有潛力，但它的應(yīng)用也有一些局限性，比如難以進(jìn)入復(fù)雜部件內(nèi)部的區(qū)域。這個(gè)問題是許多機(jī)床制造商選擇增材和減材制造相結(jié)合的混合系統(tǒng)的主要原因之一。

2.1? 基于DED方法的復(fù)合機(jī)床

德日合資的德瑪吉（DMG MORI）是大力投資于集成了DED工藝復(fù)合動(dòng)力機(jī)械的公司之一。德瑪吉的目標(biāo)是借助LASERTEC 3D混合制造系列進(jìn)入航空航天、能源、模具行業(yè)。為此，他們已經(jīng)提供了兩種不同的復(fù)合解決方案：LASERTEC 65 3D hybrid和LASERTEC 4300 3D hybrid。兩臺(tái)機(jī)器都配有過程監(jiān)控裝置，如實(shí)時(shí)溫度和熔池尺寸測量，可實(shí)現(xiàn)激光功率的自動(dòng)調(diào)節(jié)。

同時(shí)日本Mazak公司也以五臺(tái)基于復(fù)合制造的機(jī)器打入了復(fù)合制造機(jī)器的市場。在2014年推出的INTEGREX i-400AM，結(jié)合了5軸加工和LMD在RLLLR運(yùn)動(dòng)學(xué)配置下。該機(jī)器可以在兩個(gè)不同的激光加工頭之間切換，這些激光加工頭通過標(biāo)準(zhǔn)的換刀器裝入銑削主軸，以高速或高精度的沉積為目標(biāo)，并根據(jù)工藝要求和使用的材料調(diào)整沉積的包層尺寸。

另一家打入復(fù)合制造市場的公司是日本的大隈機(jī)械（Okuma）。該系列機(jī)器是將減材制造、增材制造、硬化和涂層結(jié)合在一個(gè)單一的平臺(tái)上。一方面，MUI-V LASER EX機(jī)床是具有激光加工能力的五軸立式加工中心，所有的MU-V機(jī)床都是基于RRLLL運(yùn)動(dòng)鏈，其中傾斜臺(tái)包含X軸，Y軸和Z軸包含在 DED銑削頭中;另一方面，MUILTUS U激光EX系列是基于5軸水平多任務(wù)處理機(jī)器。

2.2 基于PBF方法的復(fù)合機(jī)床

盡管大多數(shù)制造商選擇基于DED集成的復(fù)合機(jī)床，也有基于PBF的復(fù)合機(jī)床值得一提。例如日本Sodick公司開發(fā)了新的OPM系列，由同時(shí)進(jìn)行SLM和高速銑削的OPM250L和OPM350L組成。每一層都是碾磨，以達(dá)到高精度要求，即使對(duì)于腔體內(nèi)部特征，也可以完美處理。

與此同時(shí)，高速加工中心制造商松浦開發(fā)了金屬激光燒結(jié)混合銑床LUMEX系列。該系列由兩臺(tái)不同的機(jī)器組成，它們的工作區(qū)大小不同，分別是Lumex Avance 25和Lumex Avance 60。

3? 機(jī)器學(xué)習(xí)與3D打印一體制造的結(jié)合

機(jī)器學(xué)習(xí)是一個(gè)重要的和廣泛的計(jì)算領(lǐng)域，其中算法基于其處理的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測而沒有被明確地編程。因此，將機(jī)器學(xué)習(xí)與增材制造相結(jié)合的前景，這絕對(duì)是一個(gè)令人興奮的領(lǐng)域。機(jī)器學(xué)習(xí)將在增材制造以下三個(gè)方面得到應(yīng)用。

3.1 基于機(jī)器學(xué)習(xí)的軟件缺陷預(yù)測

無論哪種增材制造工藝都涉及軟件與數(shù)控系統(tǒng)相結(jié)合的問題，軟件不可避免的都會(huì)出現(xiàn)一些bug，會(huì)影響打印制造的過程。如果在3D打印系統(tǒng)中添加機(jī)器學(xué)習(xí)功能，進(jìn)行軟件缺陷預(yù)測，進(jìn)而規(guī)避產(chǎn)生的bug。在軟件缺陷預(yù)測相關(guān)研究中，各類機(jī)器學(xué)習(xí)方法得到了廣泛研究和應(yīng)用，并已被驗(yàn)證能獲得較為理想的預(yù)測性能[6]。

3.2 基于機(jī)器學(xué)習(xí)的增材制造打印工況在線監(jiān)測和檢測

與傳統(tǒng)的減材制造工藝不同，增材制造采用逐層堆疊方式來打印工件。在成型過程中，材料相變過程復(fù)雜，容易導(dǎo)致工件缺陷的產(chǎn)生。我們可以將機(jī)器學(xué)習(xí)引入增材制造中，對(duì)打印過程進(jìn)行監(jiān)測，打印出來的產(chǎn)品進(jìn)行檢測。針對(duì)材料熱損傷、典型工件缺陷、打印工況和故障狀態(tài)等問題，機(jī)器學(xué)習(xí)可以通過監(jiān)測策略、信號(hào)獲取、降噪處理、特征提取、數(shù)據(jù)壓縮、基于模式識(shí)別等在線監(jiān)測方法及其性能優(yōu)化來對(duì)打印過程進(jìn)行監(jiān)測[7]。對(duì)于打印出來的產(chǎn)品，我們也可以通過機(jī)器學(xué)習(xí)來對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行檢測。

3.3 基于機(jī)器學(xué)習(xí)的4D打印

如今不僅有3D打印，還有4D打印，這些材料一般為形狀記憶聚合物，機(jī)器學(xué)習(xí)可以在兩個(gè)方面與4D相結(jié)合，第一點(diǎn)是利用數(shù)據(jù)挖掘的手段，發(fā)現(xiàn)更多的智能材料;第二點(diǎn)則是能不能將機(jī)器學(xué)習(xí)賦予可編程材料，讓可編程材料也能“學(xué)習(xí)”呢？

4? 復(fù)合機(jī)床的潛力與挑戰(zhàn)分析

4.1 復(fù)合機(jī)床的潛力

復(fù)合制造具備有如下優(yōu)勢：1、不需要改變零部件位置，從而減小零件定位誤差，提高最終精度;2、減少工廠內(nèi)部物料的流動(dòng);3、制造更復(fù)雜的幾何形狀;4、buy-to-fly比率較低[8]，利用增材制造生產(chǎn)近凈形部件的可能性，可減少材料浪費(fèi);5、操作簡單，意味著操作員只需處理一個(gè)工作站，這簡化了工作環(huán)節(jié)和日常工作事務(wù);6、總體投資較低，購買混合平臺(tái)所需的總投資要比購買兩臺(tái)單獨(dú)的機(jī)器低得多;7、最終零件成本降低，由于增材制造能夠在普通材料或“廉價(jià)”材料之上實(shí)現(xiàn)高性能涂料，從而實(shí)現(xiàn)最終部件的性能增強(qiáng)，但成本更低。

4.2 復(fù)合機(jī)床的挑戰(zhàn)

切削液對(duì)工藝的影響。加工過程中切削液的殘留，一方面粉末顆粒與液體混合后產(chǎn)生的水分直接影響激光束的吸收率和襯底內(nèi)填充材料的稀釋;另一方面切削液在添加過程中蒸發(fā)，導(dǎo)致孔隙率增加。

機(jī)床導(dǎo)向系統(tǒng)內(nèi)部的磨損問題。復(fù)合機(jī)床需要特殊的保護(hù)，以保護(hù)導(dǎo)向系統(tǒng)免受增材制造操作中使用的粉末的傷害。

后續(xù)熱處理的要求。在添加過程中，材料受到加熱和冷卻熱循環(huán)的影響，這導(dǎo)致了殘余應(yīng)力的產(chǎn)生，這些殘余應(yīng)力可能會(huì)在隨后的加工操作中釋放出來。這就導(dǎo)致了零件幾何形狀的扭曲，因此加工工具可能會(huì)遇到與編程不同的進(jìn)給量。

5? 結(jié)語

毫無疑問，增材制造與減材制造相結(jié)合，有助于克服通常與增材制造有關(guān)的低精度、較差表面粗糙度的問題，從而使以前無法實(shí)現(xiàn)的部件得以順利制造出來，同時(shí)也面臨著一系列新的問題。一方面，復(fù)合機(jī)床可以更有效地利用現(xiàn)有資源，縮短過程鏈，節(jié)約時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本、在技術(shù)層面，復(fù)合機(jī)床為制造更復(fù)雜的部件打開了通道;另一方面，復(fù)合機(jī)床面對(duì)的大部分挑戰(zhàn)仍然來自于增材方面，面對(duì)存在挑戰(zhàn)，需要充分理解和利用增材制造技術(shù)，必須改變?cè)O(shè)計(jì)師和工程師的思維方式。這樣就可以更有效地利用機(jī)器、材料和資源。

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簡介：方昕? 女 1986年12月? 籍貫 ：福建省莆田市? ?畢業(yè)于廈門理工學(xué)院機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)，學(xué)歷本科 職稱：講師? ?研究方向：機(jī)械制造