電弧增材制造（金屬3D打印）—薄壁零件制造

夏琦男 吳君敏

該項3D打印技術，以電弧增材制造（焊接堆焊）原理為基礎，通過焊接頭安裝在機器人手臂端部進行施工，每次焊接都會沉積下少量焊料，如此積少成多而形成具有足夠強度的金屬棒材和結構。

運用這項技術，采用逐層堆焊方式制造金屬實體構件，主要基于TIG、MIG/MAG等焊接技術發展而來，形成零件由電弧熔絲構成，化學成分均勻、致密度高，開放的成型環境對成型工件的尺寸理論上無限制。可用來制造低碳鋼、不銹鋼、鋁合金、銅合金等多種材料零件。

本項目的制造無需機械加工或模具，直接從計算機圖形數據中生成任何所需的形狀， 極大地縮短了產品的生產周期，提高了生產率。盡管仍有待完善，但市場潛力巨大，勢必成為未來制造業的眾多突破技術之一。

本文以ABB1520ID機器人配合 Frontiers CMT焊機，加工薄壁類零件（花瓶）為例，簡單闡述相關過程。

步驟一：三維模型設計

計算機3D建模是所有3D打印技術的前提。本次，我們采用SolidWorks軟件來編輯三維模型，最后將建完的三維模型保存至STL格式。然而，僅僅只會簡單使用三維建模軟件是不夠的，如果忽略了電弧堆焊的特點，打印就很容易失敗。主要應注意以下幾點：

1.模型必須具有水密性，也就是說模型不可以存在破面。

2.模型必須有一定的壁厚和體積，且壁厚必須與實際的焊接參數相適應。

3.所有模型的突出物不要超過45°，超過45°的需要額外增加支撐材料。

4.必須設計一個穩定的底座，這樣既能增加模型的穩定性，又能增加剛性，控制焊接過程中的變形量。

5.模型需要預留容差度。由于金屬焊接的特點，最后成型的工件會和3D模型有所誤差，應在設計時充分考慮。

步驟二：模型切片

在3D打印中，切片處理及切片軟件是極為重要的。切片的目的是要將模型以片層方式來描述。通過這種描述，無論零件多么復雜，對每一層來說卻是很簡單的平面。

現行市面上并沒有針對于電弧堆焊而設計的專用切片軟件，所以本次我們選用了Repetier-Host切片軟件，該軟件功能豐富，界面友好，簡單易學。主要設置參數如表1：

步驟三：生產機器人程序

這一步是至關重要的一步，因為普通的3D打印機程序是以G代碼形式編寫的，而ABB機器人的程序卻是完全獨立的一個系統語言。兩者之間沒有聯系，所以切片軟件生成的程序無法直接用于機器人上，這就給我們帶來了很大的麻煩。

最后，我們自行編寫了一個用于程序間相互轉換的程序，專門用于把切片軟件生成的G代碼程序轉譯成ABB機器人語言。當然，通過改寫程序，我們也可以將改程序用于其他品牌機器人的轉譯工作。下面，我就簡單介紹一下。

該程序主要分三步來轉譯程序：

1.讀入文件：把由切邊軟件生成的文件導入程序。

2.去掉無效的語句：去掉除位置和焊接以外的全部無效指令。

3.生成語句：生成ABB機器人能夠識別和使用的程序語言。

步驟四：焊接加工

啟動機器人，通過U盤把編譯好的程序導入機器人中，調節焊機至CMT焊接功能，設置焊接參數如下：

步驟五：后續處理

測量、檢驗，并處理不良或有缺陷的部位，使產品達到要求。

該項目的優點有：

1.大大縮短新產品研制周期，確保新產品上市時間。

2.提高了制造復雜零件的能力。

3.顯著提高新產品投產的一次成功率。

4.支持同步（并行）工程的實施。

5.支持技術創新，改進產品外觀設計。

6.無需開模具，成倍降低新產品研發成本。

該項技術目前還存在著許多不足之處，但前景廣闊，具有很大的研究實用性。我相信在不久的將來，一定能完善該項技術。

[作者單位]

寧波技師學院

（編輯：栗國花）