3D金属打印与数控机床复合加工的发展趋势

3D金属打印与数控机床复合加工的发展趋势

段尧

广东智源机器人科技有限公司

摘要：在制造技术中，主要包含了等材制造、减材制造以及增材制造，其中增材制造就是3D打印。3D打印的概念最早出现在80年代中期，发展至今也只有30多年的时间。本文主要分析的是金属材料的增材制造部分，即3D金属打印技术，并对增材制造与数控机床复合加工发展趋势进行了分析。

摘要：制造技术；3D金属打印；数控机床；复合加工；发展趋势

引言：

我国对3D打印技术的发展给予了足够支持，早在2015年便提出增材制造产业发展计划以及发展规划。3D金属打印技术，主要就是通过点、线、面之间的衔接，逐层堆积起来而成，这也体现了3D金属打印技术不受传统制造工艺和制造资源的限制，非常注重形态创作，侧重功能层面的创新，3D打印技术将促进人类社会的发展。

1. 模具增材加工概述

增材制造（Additive Manufacturning，AM）技术，主要应用CAD设计数据，通过材料以点、线、面一层一层累加的方式，重新塑造实体。该制造方式与传统的切削加工相比，增材制造技术属于按照“自上而下”的顺序，通过累加方式进行制造。在3D金属打印技术中，主要的成型方法有选区激光熔化（SLM）、选区激光烧结（SLS），电子束熔覆（EBM）、激光近净型（LENS）等。现阶段，只有选区激光熔化（SLM）可以用于直接制造金属3D打印功能零件成型，该技术也是目前3D金属打印最常使用的技术^[1]。

二、3D金属打印与数控机床复合加工发展趋势

（一）复合加工特点分析

增材制造虽然是一种较为高效的制造方法，但所制造出来的零件，无论是几何尺寸精度还是零件表面的光度，整体效果都不佳，而“减材加工”制造方式可以做到高精度，同时也可以根据实际需求进行切割、加工。对比减材制造与增材制造，可以发现二者的优缺点可以互补。因此将3D金属打印技术与数控加工进行结合，可以很好的实现增减材制造工艺的复合，进而提高产品生产效率，有效降低生产成本，同时，此种复合加工能够更好的降低生产时使用的切液量，从而起到保护环境的作用。

在增减材复合加工技术中，主要集合了零件设计、软件控制，增材制造和减材制造技术。该技术主要建立在计算机技术基础上，利用CAD模型以一定厚度对其进行分层，进而转化为指定的零件三维数据信息，逐渐变为二维或者三维轮廓几何信息，各个层面的几何信息融合机加工参数、沉积参数，最终生成相应的数控代码，得出三维实体零件。在此基础上，结合已经成型的三维实体零件，运用CAD模型进行对比提取到的零件特征，以及相应的测量数据，找出误差后，利用减材制造，进一步加工零件，直到获得符合设计的零件。
（二）复加加工方式
1、激光熔覆与数控加工

激光熔覆主要就是，在堆积的基体面运用不同的填料方式将加工材料填入其中，而后借助激光进行聚焦照射，使体面与材料同时融化，融化后并快速凝固，在基体上分层式的堆积，最终成型。使用激光熔覆技术会初步得到零件毛坯，需要对毛坯进行再加工处理，根据所需零件要求，进一步提高精度，最终完成增减材复合制造。目前，已经有DMG MORI公司研制出了LASERTEC 65型激光熔覆加工机床，建立在DMU65型mono BLOCK单体机床基础上，融合了5轴铣加工与激光熔覆加工技术。如钢、合金、黄铜、钛合金等一些常见的金属粉末，都可以使用这台机床进行加工处理。
2、选择性激光烧结与数控加工

选择性激光烧结技术主要的作用机理就是，将粉末状材料烧结成型，在基板上均匀的铺洒材料粉末，可以使用辊子对其表面进行刮平。而后激光会对工件的截面进行扫描，主要就是按照设定好的轨迹进行，并借助激光进行聚焦照射，使得材料粉末烧结成型，进而初步得到工件截面。完成此过程操作后，要接着铺设下一层材料，然后不断重复上述步骤，最终一层一层的聚集到一起，最终得到成型的实体。比如，松浦制造商研制的Lumex Avance25混合机床^[2]，不仅具有铣削功能，同时，还可以实现激光烧结增材，这一混合机床主要在模具行业广泛应用，混合机床会运用激光烧结技术，促使金属粉末烧结在一起，而后成型，再通过铣削对工件表面进行精加工，最终在同一台设备上一次性成型。
3、形状沉积制造与数控加工

形状沉积制造与数控加工复合制造所使用的形状沉积制造技术，主要作用原理就是，通过添加、去除材料的方式，交替式加工。融化材料会从容器喷头中喷出，而后沉积在成型表面上并快速凝固，按照预先设定的轨迹材料层层堆积形成层面，最终通过一层一层的堆积，得到一个工件形状，而后使用5轴数控对这一粗糙的工件进行精加工，获得成型工件，金属和各种塑料都是最终的成型材料。

结束语：

综上所述，我国提出了中国制造2025计划，而3D打印增材制造的成型工艺，作为其中重要的环节，推动了我国制造行业更加自动化、数字化、智能化发展。但对于增减材复合加工设备的研究，我国与发达国家相比还存在一定差距。因此，在未来发展中，应当积极提升材料加工、成型技术、装备智能化等方面的研究，推出先进的增减材复合加工技术。

参考文献：

[1] 陶永亮、邱峰、王青青、田书竹. 3D金属打印与数控机床复合加工的发展趋势[J]. 模具制造, 2020, 231(10):77-81.

[2] 李海涛, 张强. 未来数控机床与3D打印的一体化制造[J].国际工业设计研讨会暨全国工业设计学术年会. 2019，12（23）：100-101.