【中國傳動網(wǎng) 技術(shù)前沿】 增材制造（也稱為3D打?。┎粌H僅轉(zhuǎn)變了我們制造物品的方式，也在改變工程師和零件設(shè)計師的思維方式。他們必須忘記傳統(tǒng)制造方式所規(guī)定的各種限制條件，并且打開思路尋求新的設(shè)計可能性。有了這些可能性，預(yù)計到2020年增材制造工業(yè)可以突破170億美元。目前已經(jīng)有幾種不同的增材制造工藝，包括選擇性激光燒結(jié)（SLS）、立體光刻（SLA）、以及熔融沉積造型（FDM）。

所有這些都使用數(shù)字化制造方法，通過計算機輔助設(shè)計（CAD）數(shù)據(jù)，使材料一層一層的疊加在一起來制造出3D的物體，不管材料是液體、粉末、薄片，還是其他類型的材料，甚至也能使用人體組織。增材制造技術(shù)已被用來創(chuàng)造了無數(shù)的結(jié)構(gòu)件，從口腔矯治器到先進的飛機部件、一整座大橋、到藝術(shù)品。

圖1：增材制造工藝使用一個安裝有激光頭和熱絲沉積的機器人來通過層疊方式制造金屬零件。圖片來源：RIA

機器人有助于實現(xiàn)這一目標(biāo)。機器人不僅僅讓增材制造成為現(xiàn)實，它們還可以管理3D打印機（它們也是機器人），實現(xiàn)增材制造后期處理自動化，而且讓設(shè)計師看到新構(gòu)建方式的可能性。

逐層構(gòu)建

位于美國威斯康辛州的中西部工程系統(tǒng)公司（MWES）里，他們使用激光增材制造來創(chuàng)造復(fù)雜的金屬部件，用其他方式來制造的話即便不是做不到，也會極其困難。一臺六軸多關(guān)節(jié)機器人負(fù)責(zé)驅(qū)動該工藝，將熱絲沉積和激光相結(jié)合，在現(xiàn)有的基板上逐層構(gòu)建新的金屬零件。金屬原料需要精度和速度來進行沉積，進而制造出雛形以及小批量高價值的復(fù)雜零件。

擁有超過25年的復(fù)雜系統(tǒng)集成專業(yè)經(jīng)驗的MWES公司開發(fā)了這個工藝，并且在2016年國際制造科技展上向外界進行了展示。在一個展廳演示中，在逐層工藝處理下，一臺螺旋槳顯現(xiàn)出其外形。

MWES將其系統(tǒng)命名為ADDere，這個名字源自代表增加的拉丁語。該工藝與金屬絲和激光增材制造類似，即將一根金屬線裝進一個由安裝在基底上的激光束形成的熔化槽里。金屬線和基底最終形成金屬的結(jié)合體。區(qū)別就在于MWES使用熱絲工藝。

“我們將金屬絲加熱到其頂端開始熔化，”MWES的董事長兼創(chuàng)始人ScottWoida說道，“等金屬絲已經(jīng)熔化，接下來我們使用適量的激光能量將下面的基板熔化，從而形成一個堅固的結(jié)合體。如果你不想熔化金屬絲和基板，那就可以使用更低的激光能量。熱絲可以讓你獲得更高的沉積而且在零件上投入更少的熱量?！?/p>

“我們既可以將基板作為最終零件的一部分，也可以將基板切除，并只保留由焊道構(gòu)成的部分。”Woida說，“不過我們必須以每個物體開始。它可以簡單到只是一個八分之一英寸厚的鋼板?！?/p>

與工業(yè)機器人協(xié)作

該系統(tǒng)的主要部件包括一臺高精度的工業(yè)機器人、激光系統(tǒng)、集成的MIG金屬線和激光頭、以及MWES控制系統(tǒng)。該工藝包括有效的激光頭控制和動態(tài)的沉積測量，目的是制造過程前、中、后期對工藝進行嚴(yán)密的監(jiān)測。

CAD數(shù)據(jù)會導(dǎo)入到CAD/CAM軟件中，該軟件會準(zhǔn)備增材工藝。之后零件會被“切”成很多層，然后離線生成機器人的路徑。工藝信息可以自動加載，也可以手動操控。生成的路徑和工藝信息會通過一個后置處理器進行翻譯，然后自動傳送到機器人控制器。接下來機器人執(zhí)行程序并且逐層構(gòu)建零件。其應(yīng)用包括：

●原型；

●小批量生產(chǎn)；

●零件更換；

●表面再造；

●覆層。

ADDere系統(tǒng)使用一個六軸的長行程機器人，它可以提供路徑靈活性以及大的工作范圍。它和一部多軸零件定位器組合在一起，可實現(xiàn)2x8x40米的工作范圍。

根據(jù)沉積率的不同，可以實現(xiàn)的公差是+/-0.5毫米到+/-1.5毫米。后續(xù)處理一般需要一些機械加工。增材工藝制造出了材料的一個硬化形式，因此軟金屬還需要退火處理。

無模制造減少浪費

增材制造系統(tǒng)的優(yōu)勢包括可實現(xiàn)快速開發(fā)新的金屬零件，在不需要增加工具成本的前提下快速進行設(shè)計變更，以及生產(chǎn)的初始成本低。其中一項主要的優(yōu)勢是可以將多個半成品零件組合成一個整體。

舉例來說，GE航空部門利用這個概念并將其發(fā)展到全新的水平，將增材制造工藝應(yīng)用于先進的渦輪螺旋槳發(fā)動機。GE的設(shè)計師們可以將855個零件減少到僅僅12個，超過三分之一的發(fā)動機是通過3D打印出來的。

有了MWES的ADDere系統(tǒng)，無模實體制造可以在零件的不同位置使用不同的金屬，從而創(chuàng)造出針對不同應(yīng)用的特定的工程特性。如果你想使用更加稀有的金屬來覆蓋在相對經(jīng)濟的金屬上面來達到一些特定的屬性，例如高耐磨性，那么這種做法就特別經(jīng)濟有效。該工藝也可以用于修復(fù)，首先通過機器加工將零件處理到一個穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，然后再將該零件恢復(fù)到最初的狀態(tài)。

“我們的產(chǎn)品性能與鑄造類似，接近鍛造的性能。”Woida說，“與做減法的方式相比較，你浪費的基礎(chǔ)材料更少，因為你建造的零件幾乎和凈成形一樣?！?/p>

金屬線材增材制造比基于粉末的增材制造工藝會減少對材料的浪費。Woida說他們可以實現(xiàn)99%的利用率。采用金屬線材進行增材制造，所有的原料最終都會被用來制造零件“金屬線浪費的非常少，相反，粉末金屬增材制造工藝會有大量的粉末掉在走道上并且需要回收。唯一發(fā)生的事情就是你要給部件進行外部機械加工，讓零件從接近的凈形到達到你預(yù)期的凈形。一般來說，你只需要對你的零件進行表面加工，不需要對整個零件進行機械加工?！彼f。

采用金屬線材增材制造工藝生產(chǎn)出的螺旋槳，在增材制造工藝之后，可能僅需對零件的5%進行機械加工。Woida說其速度是基于粉末的增材制造工藝的10倍。

“現(xiàn)在我們可以每小時放進去32磅的不銹鋼，而那是在使用14千瓦激光的情況下。很快我們會有一個20千瓦的激光。如果材料價值很高而且真的很難機械加工，這個工藝就很有意義了?！彼f。不適合這個工藝的是小部件、制造成本低的零件、以及對于坯料僅需要很少機械加工的零件。

“零件完成以后，其質(zhì)量和鑄造水平相近。”Woida說，“為了實現(xiàn)更好的表面處理，你可以對零件機械加工，也可以使用激光來拋光表面。不過很多我們的客戶對于功能性的興趣要大于對表面處理的興趣?！?/p>

圖2：使用一套機器人激光增材制造工藝所制造的螺旋槳槳葉在最終加工之前顯示了接近凈形的樣子。

高價值零件

對于采購或制造服務(wù)來說，ADDere系統(tǒng)可以作為一個交鑰匙產(chǎn)品。“我們現(xiàn)在加工的零件基本上對客戶來說是有效的，我們可以按照他們的要求制造部件。”Woida說，“大規(guī)模生產(chǎn)還沒開始，不過我們?yōu)榭蛻籼峁悠穪眚炞C系統(tǒng)的能力。他們會評估它們的質(zhì)量然后從我們這里采購該系統(tǒng)?！?/p>

正在MWES的研發(fā)系統(tǒng)中進行測試的部件是重達1800磅用于航空母艦的艙壁。與其不得不在船運的時候因為備件而浪費寶貴的空間，想象一下在海上就能夠根據(jù)需求使用增材制造制造或維修部件的好處。

ADDere增材制造系統(tǒng)適用的應(yīng)用場合包括航空、動車、懸浮、軍艦、軍事、石油天然氣、建筑、采礦以及農(nóng)業(yè)設(shè)備。最適合于這些應(yīng)用的材料一般是稀有金屬，例如不銹鋼、鋁、鈦、鈷、鎳基合金、以及鎢基合金。

Woida說他們在激光焊接方面的經(jīng)驗正在收到回報?！拔覀兺ǔ⑴c經(jīng)過高度工程設(shè)計的系統(tǒng)，因此我們有很多機會接觸最新的科技，不管是最新的激光科技還是機器人科技?！彼f，“每天我們都在設(shè)計一些產(chǎn)品目錄中沒有的系統(tǒng)，是經(jīng)過高度工程設(shè)計的。你需要很多各個方面的經(jīng)驗。你需要機械工程師，因為這些系統(tǒng)是相當(dāng)復(fù)雜的。你需要軟件人員來是系統(tǒng)簡單可行的，并且可以在開放的市場上進行銷售。你需要機器人工程師來整合所有的部分。你需要焊接工程師來驗證并確認(rèn)其金屬性能與所期待的性能一致。你需要很大一批人來將這一切都實現(xiàn)。”

改變金屬鑄造行業(yè)

在新的數(shù)字化世界里，增材制造和機器人自動化也因為鑄造工業(yè)而獲得更多關(guān)注。3D打印技術(shù)是在90年代由麻省理工學(xué)院的學(xué)生JimBredt開創(chuàng)的，當(dāng)時他正在準(zhǔn)備博士論文，論文要求調(diào)查為粉末科技打造噴墨裝置。

3D打印這個詞最早是用于描述，粉末材料以及液體粘合劑的中間層是如何在程序模式下被處理并形成一個3D的物體。Bredt說這個詞最開始是由他的論文導(dǎo)師創(chuàng)造出來的，并最終被整個行業(yè)所采用。現(xiàn)在，3D打印通?？梢耘c增材制造互換使用，并包含許多不同類型的工藝。

Bredt現(xiàn)在是位于美國馬塞諸塞州沃本市的Viridis3D公司研發(fā)部門總監(jiān)，他已經(jīng)在3D打印行業(yè)里工作將近30年了，可是他從來沒有丟棄他的“一見鐘情”。從麻省理工學(xué)院畢業(yè)以后，Bredt在1995年幫助創(chuàng)建了Z公司。Z公司以第一款基于噴墨的商業(yè)3D打印技術(shù)而聞名。接下來Z公司被3DSYSTEMS公司收購了，后者的聯(lián)合創(chuàng)始人投資于立體光刻技術(shù)。

Bredt在2010年離開了3DSYSTEMS公司并且創(chuàng)建了Viridis3D公司，在這里他渴望重新回到金屬鑄造領(lǐng)域。其目標(biāo)是建造一種3D打印機，該機器在它所能處理的材料類型方面更加通用，更適應(yīng)工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，以應(yīng)對鑄造廠的嚴(yán)苛工作。Viridis3D的團隊關(guān)注砂模鑄造行業(yè)。

“很多你真的需要3D打印機才能制造的部件是那些你無法通過傳統(tǒng)工藝制造出來的，特別是像砂芯這樣的核心部件，這可能是非常復(fù)雜的?！盉redt說，“通過在設(shè)計中承擔(dān)更多的風(fēng)險，它可以提升你的工藝能力。你不需要把所有的精力都花在工具作業(yè)上。如果你3D打印一個零件，因為設(shè)計問題而失敗了，那么你并沒有真的失去那么多。通過可以在設(shè)計中承擔(dān)更大的風(fēng)險，它擴展了你可以使用該技術(shù)創(chuàng)建幾何圖形的范圍?！?/p>

圖3：機器人增材制造系統(tǒng)使用了一套企業(yè)專有的3D打印工藝來為金屬鑄造行業(yè)提供砂型和砂芯。

打破現(xiàn)有模式

在重新構(gòu)想制造方式的過程中，Bredt也在思考3D打印機器是如何設(shè)計的?！?D打印機基本上是一個裝有物料分配器的機器人。”Bredt說?！霸谖覀儎?chuàng)建Viridis3D的時候，我就問過我為什么要建造自己的機器人。我的專長是在材料方面，不是機械設(shè)計。我為什么不去買一部機器人？那么我就能專心在材料分配方面了?！?/p>

對于Viridis3D公司來說，在其3D打印系統(tǒng)中使用一部現(xiàn)成的工業(yè)機器人是突破競爭的主要手段?！拔覀兪褂蒙虡I(yè)的機器人是一項有意思的差異，”Bredt說。“大多數(shù)我們的競爭者使用龍門系統(tǒng)來拉動他們重得多的打印引擎。通過使用機械臂而不龍門系統(tǒng)，我們的打印頭設(shè)計輕巧、堅固、并且可靠。”

使用機器人進行3D打印

盡管Viridis3D的機器人增材制造系統(tǒng)正在開發(fā)過程中，但Viridis3D已經(jīng)與3D打印解決方案供應(yīng)商EnvisionTEC開展了深入合作。。今年早些時候，Viridis3D成功使第一款機器人3D打印機RAM123商業(yè)化。

系統(tǒng)使用了一部標(biāo)準(zhǔn)的4軸機器人來創(chuàng)造砂型和砂芯，用于鑄造金屬零件。機器人配置了一個粉末材料給料器，用于分配砂子，還有一個打印頭，用于在砂子內(nèi)分配液體粘合劑。間歇地分布砂子并且分配粘合劑，機器人3D打印機逐層地構(gòu)建模具。

打印頭可能很重，特別是在裝載了砂子以后。Bredt說更喜歡4軸機器人而不是6軸機器人，因為前者的負(fù)載能力更大。

“這些打印組件只有在水平放置的時候才能正常工作，”他說，“打印頭在一個平面上移動，并且慢慢的逐漸提高。4軸是理想的，因為他們總是限制在一個平面內(nèi)移動，至少腕部是這樣的。它具有高負(fù)載的能力而且可以保持精確?！?/p>

Viridis3D的RAM系統(tǒng)有著開放的架構(gòu)。模具是在一個固定的桌子上制成的。桌面上是一個托盤，通過叉車來使得零件可以在機器內(nèi)外移動。

“我們的工作臺是開放的，你可以制造不同尺寸的零件，而不需要用材料將整個盒子填滿?！盉redt說，另外，選用固定工作臺的原因是，我們發(fā)現(xiàn)在建造越來越大的機器的時候，很快基底的重量就會超過機器的重量。

交貨期短，節(jié)省空間

“制模工作是一個瀕臨絕跡的藝術(shù)，”Bredt說，“具有50年模具的企業(yè)派出一個經(jīng)驗很少的人去嘗試修復(fù)它。在某些情況下，他們僅有的就是圖紙，或者他們只能對現(xiàn)有產(chǎn)品做反向工程。購買過我們系統(tǒng)的人真的很喜歡可以切換到數(shù)字制造的選擇，因為你可以去掉那些因為儲存模具所需要的費用。這是顛覆性的科技取代老的技術(shù)的完美的案例?！?/p>

Bredt說他們將選擇材料目光放得更寬，不僅僅是砂子，其他材料會提供更高的分辨率，包括塑料粉末、陶瓷、甚至還有金屬粉末。機器人會繼續(xù)承擔(dān)起負(fù)載。增材制造和機器人在一起會轉(zhuǎn)變我們對于加工制造已有的思維模式。