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混合数控机床助力增材制造
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自从20世纪八十年代全面启动关于激光器和激光传导的研究进展,对3D 打印技术一直起着关键的推动作用。3D打印技术的标志性应用是直接根据计算机模型来制造原型,这就是为什么多年来它被称为“快速成型”(rapid prototyping)。

人们一直持续研究着几个领域,其中值得注意的是,高功率固体激光器的问世使得3D打印机生产零件所使用的材料范围更为广泛,现在已经将金属囊括进来了。这种相对较新的技术推动了3D打印技术在商业化方面的进展——可以小批量或中批量制造终端零件,其中许多都由金属制成。的确,能够使用金属材料进行3D打印的平均成本(目前大约是50万美金)使其难以只用于生产原型,但是可以用来制造高价值、高复杂性的零件。3D打印技术的适用范围在扩大,因而被重新命名为增材制造(AM),从而不再局限于任何特定的应用,而是强调其工作原理。

从分离到整合

工业制造行业对增材制造的青睐,尤其是金属,加强了对零件后续处理工艺的需求。尤其是,金属零件几乎总是需要进行一些修整的步骤,通常是加工、抛光或磨削(图1)。

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图1:重新磨平的叶片部分是用AMBIT激光头修复以及用millGRIND来磨削

增材制造发展初期的动力主要以原型件的制造为焦点,独立的机床结构主宰着这个市场。这种结构很适合设计部门的原型件生产,但对于还需要后续处理加工的制造来说并不是最理想的。特别是独立结构使得零件清洗和转移到下一工序这些工作都需要由人工来完成。

尽管激光增材制造系统在商业上获得了成功,并且具有独特的技术能力,但是还不能生产具有数控加工精度和表面光洁度的零件。当认识到对于增材制造在复杂几何形状和材料选择自由度方面的优势以后,再考虑到需要达到数控加工精度的要求,整个行业对于将这两种技术结合起来的混合加工非常感兴趣。这对于增材制造的研发道路来说是一个关键性的里程碑,它从分离的独立式结构转向与互补性加工设备的一体化整合。

从研究到主流的数控机床

关于增材制造和减材制造技术的组合的研究有着二十年的历史,虽然其带来的效益很有前景,但是直到最近才获得一定的商业化应用。最初的商业化混合产品始于20世纪九十年代后期的一项日本的大学和工业界的联合研究项目, 这个专业的机床将激光粉末熔覆(PBF)与数控机床结合起来,这就是现在Matsuura公司的LUMEX Avance-25。

此外, 大约八年前,学术界和产业界的研究合作开始着手进行金属增材和减材之间的转换,努力想让其如同更换工具一样容易。最终的成果是研发出第一个适合主流数控机床的混合式产品,它给机床增加了激光熔覆(ASTM F42委员会将其定义为一种定向的能量沉积过程)部分(图2)。该系统在2012年被首次展示出来,现在就是我们所知道的由Hybrid Manufacturing Technologies公司研发的AMBIT可转换工具头的激光熔覆系统,它可以将新的和使用过的数控机床升级成能进行金属3D打印的工业3D打印机。

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图2:AMBIT系统(见插图)对Hamuel HSTM1000机床中的叶片进行激光熔覆

该系统可以改装到现有的数控机床中,或者被充分整合到新的数控机床中,从而给新的数控机床带来附加功能,例如Hamuel HSTM 1000、Mazak INTEGREX i-400 AM和Elb-Schliff millGRIND。通过将主流数控机床作为
平台,这一创新带来了一种新的利用增材制造的方式,被称为“增材制造工艺和应用进步的首个范例”,并荣获2015年国际增材制造大奖(IAMA)。

这种混合技术的核心优势就是它能缩短3D打印金属零件的时间,主要是通过先打印出大体的轮廓来实现近净成形,然后通过打印后加工来获得所需的表面光洁度和精度。一开始,它主要用于形状构建、对原有零件进行表面硬化以及叶片和叶轮的一次性整体修理,只需一个步骤就能在待修复的金属表面上进行在线检测和精加工。这种混合修理方法起初是用于Cummins涡轮增压器叶轮的修复,然后又在发电领域用于叶片修理(图3)。

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图3:用混合式数控机床来修复Cummins涡轮增压器的叶轮

从加工到熔覆的切换

正在申请专利的AMBIT激光金属沉积头可以存储在工具库中,并使用标准的工具切换装置来加载到铣削主轴上。加载到主轴后,它将与主轴配套的一个供给装置对接,并由后者来提供激光能量和供给原料,从而在零件上进行非反应性金属粉末熔覆。用同一个数控机床控制器以及定制化的M-codes来控制用于减材的刀具路径。沉积一旦完成,沉积头便会被更换并放回工具库中,然后继续进行加工。将沉积头存储在加工环境以外的地方,可以让其远离机床冷却系统以及其他污染风险(图4)。

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图4:AMBIT激光熔覆头在使用过程中被安装在主轴上,此外便存储在工具库中

在数控机床中加入AMBIT系统,需要安装激光器、送粉器、退出装置和激光安全罩。这些装置的安装不会影响数控机床的铣削能力。

从熔覆到柔性激光加工

将AMBIT激光熔覆系统整合到数控机床中,带来了一种新的光束传导方法,能最大化这种混合技术的作用。这给激光加工带来了新的关注点和机遇。

在每一次使用后,将激光加工头从机床工作间移出是为了保护加工头,以及尽可能避免影响机床的加工性能(通过侵入工作区或避免冷却剂的使用等)。为了在标准的机床工具库中存储激光加工头,必须切断光束路径。要保持光学元件的清洁,操作中需要小心密封光束路径以避免污染。过去五年中,研发的重点之一是如何可靠地将这一步骤实现自动化。通过使用屏蔽罩和密封件的组合,我们也能保护好存储在工具库中的激光加工头。

虽然切断光束路径需要额外的步骤来避免污染,但是也给激光加工带来了新的机会。使用工具切换装置来交换加工头,意味着可以在不同的光学元件之间自动切换。这让激光加工的灵活性提升到一个新的水平,只需一次安装便可改变焦斑尺寸、形状,甚至空间能量分布。这使得在同一装置中进行各种激光加工成为可能,例如在激光熔覆和激光抛光或钻孔之间切换。准连续波(QCW)激光器或多种激光源的使用有希望进一步扩大混合数控机床的加工范围。

与混合技术相关的这些发展表明,在数控机床中加载激光工业3D金属打印,是一种新的利用增材制造的方法,同时也给一次安装的激光加工带来了更大的灵活性。(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者,请点击此处) (2016-2-16)
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