【中國(guó)傳動(dòng)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(jì)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(kāi)思路尋求新的設(shè)計(jì)可能性。有了這些可能性，預(yù)計(jì)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(guò)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）數(shù)據(jù)，使材料一層一層的疊加在一起來(lái)制造出3D的物體，不管材料是液體、粉末、薄片，還是其他類(lèi)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(lái)創(chuàng)造了無(wú)數(shù)的結(jié)構(gòu)件，從口腔矯治器到先進(jìn)的飛機(jī)部件、一整座大橋、到藝術(shù)品。

圖1：增材制造工藝使用一個(gè)安裝有激光頭和熱絲沉積的機(jī)器人來(lái)通過(guò)層疊方式制造金屬零件。圖片來(lái)源：RIA

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

逐層構(gòu)建

位于美國(guó)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(lái)創(chuàng)造復(fù)雜的金屬部件，用其他方式來(lái)制造的話即便不是做不到，也會(huì)極其困難。一臺(tái)六軸多關(guān)節(jié)機(jī)器人負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)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(lái)進(jìn)行沉積，進(jìn)而制造出雛形以及小批量高價(jià)值的復(fù)雜零件。

擁有超過(guò)25年的復(fù)雜系統(tǒng)集成專業(yè)經(jīng)驗(yàn)的MWES公司開(kāi)發(fā)了這個(gè)工藝，并且在2016年國(guó)際制造科技展上向外界進(jìn)行了展示。在一個(gè)展廳演示中，在逐層工藝處理下，一臺(tái)螺旋槳顯現(xiàn)出其外形。

MWES將其系統(tǒng)命名為ADDere，這個(gè)名字源自代表增加的拉丁語(yǔ)。該工藝與金屬絲和激光增材制造類(lèi)似，即將一根金屬線裝進(jìn)一個(gè)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(kāi)始熔化，”MWES的董事長(zhǎng)兼創(chuàng)始人ScottWoida說(shuō)道，“等金屬絲已經(jīng)熔化，接下來(lái)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(gè)堅(jiān)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。”

“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(shuō)，“不過(guò)我們必須以每個(gè)物體開(kāi)始。它可以簡(jiǎn)單到只是一個(gè)八分之一英寸厚的鋼板。”

與工業(yè)機(jī)器人協(xié)作

該系統(tǒng)的主要部件包括一臺(tái)高精度的工業(yè)機(jī)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(dòng)態(tài)的沉積測(cè)量，目的是制造過(guò)程前、中、后期對(duì)工藝進(jìn)行嚴(yán)密的監(jiān)測(cè)。

CAD數(shù)據(jù)會(huì)導(dǎo)入到CAD/CAM軟件中，該軟件會(huì)準(zhǔn)備增材工藝。之后零件會(huì)被“切”成很多層，然后離線生成機(jī)器人的路徑。工藝信息可以自動(dòng)加載，也可以手動(dòng)操控。生成的路徑和工藝信息會(huì)通過(guò)一個(gè)后置處理器進(jìn)行翻譯，然后自動(dòng)傳送到機(jī)器人控制器。接下來(lái)機(jī)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(gè)六軸的長(zhǎng)行程機(jī)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(shí)現(xiàn)2x8x40米的工作范圍。

根據(jù)沉積率的不同，可以實(shí)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(jī)械加工。增材工藝制造出了材料的一個(gè)硬化形式，因此軟金屬還需要退火處理。

無(wú)模制造減少浪費(fèi)

增材制造系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)包括可實(shí)現(xiàn)快速開(kāi)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(jìn)行設(shè)計(jì)變更，以及生產(chǎn)的初始成本低。其中一項(xiàng)主要的優(yōu)勢(shì)是可以將多個(gè)半成品零件組合成一個(gè)整體。

舉例來(lái)說(shuō)，GE航空部門(mén)利用這個(gè)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(jìn)的渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)。GE的設(shè)計(jì)師們可以將855個(gè)零件減少到僅僅12個(gè)，超過(guò)三分之一的發(fā)動(dòng)機(jī)是通過(guò)3D打印出來(lái)的。

有了MWES的ADDere系統(tǒng)，無(wú)模實(shí)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(duì)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(lái)覆蓋在相對(duì)經(jīng)濟(jì)的金屬上面來(lái)達(dá)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(jì)有效。該工藝也可以用于修復(fù)，首先通過(guò)機(jī)器加工將零件處理到一個(gè)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(lèi)似，接近鍛造的性能?！盬oida說(shuō)，“與做減法的方式相比較，你浪費(fèi)的基礎(chǔ)材料更少，因?yàn)槟憬ㄔ斓牧慵缀鹾蛢舫尚我粯印！?/p>

金屬線材增材制造比基于粉末的增材制造工藝會(huì)減少對(duì)材料的浪費(fèi)。Woida說(shuō)他們可以實(shí)現(xiàn)99%的利用率。采用金屬線材進(jìn)行增材制造，所有的原料最終都會(huì)被用來(lái)制造零件“金屬線浪費(fèi)的非常少，相反，粉末金屬增材制造工藝會(huì)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(jìn)行外部機(jī)械加工，讓零件從接近的凈形到達(dá)到你預(yù)期的凈形。一般來(lái)說(shuō)，你只需要對(duì)你的零件進(jìn)行表面加工，不需要對(duì)整個(gè)零件進(jìn)行機(jī)械加工?！彼f(shuō)。

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(duì)零件的5%進(jìn)行機(jī)械加工。Woida說(shuō)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(shí)放進(jìn)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(huì)有一個(gè)20千瓦的激光。如果材料價(jià)值很高而且真的很難機(jī)械加工，這個(gè)工藝就很有意義了?！彼f(shuō)。不適合這個(gè)工藝的是小部件、制造成本低的零件、以及對(duì)于坯料僅需要很少機(jī)械加工的零件。

“零件完成以后，其質(zhì)量和鑄造水平相近?！盬oida說(shuō)，“為了實(shí)現(xiàn)更好的表面處理，你可以對(duì)零件機(jī)械加工，也可以使用激光來(lái)拋光表面。不過(guò)很多我們的客戶對(duì)于功能性的興趣要大于對(duì)表面處理的興趣?！?/p>

圖2：使用一套機(jī)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(jià)值零件

對(duì)于采購(gòu)或制造服務(wù)來(lái)說(shuō)，ADDere系統(tǒng)可以作為一個(gè)交鑰匙產(chǎn)品?！拔覀儸F(xiàn)在加工的零件基本上對(duì)客戶來(lái)說(shuō)是有效的，我們可以按照他們的要求制造部件。”Woida說(shuō)，“大規(guī)模生產(chǎn)還沒(méi)開(kāi)始，不過(guò)我們?yōu)榭蛻籼峁悠穪?lái)驗(yàn)證系統(tǒng)的能力。他們會(huì)評(píng)估它們的質(zhì)量然后從我們這里采購(gòu)該系統(tǒng)?！?/p>

正在MWES的研發(fā)系統(tǒng)中進(jìn)行測(cè)試的部件是重達(dá)1800磅用于航空母艦的艙壁。與其不得不在船運(yùn)的時(shí)候因?yàn)閭浼速M(fèi)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(chǎng)合包括航空、動(dòng)車(chē)、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(shuō)他們?cè)诩す夂附臃矫娴慕?jīng)驗(yàn)正在收到回報(bào)。“我們通常參與經(jīng)過(guò)高度工程設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，因此我們有很多機(jī)會(huì)接觸最新的科技，不管是最新的激光科技還是機(jī)器人科技。”他說(shuō)，“每天我們都在設(shè)計(jì)一些產(chǎn)品目錄中沒(méi)有的系統(tǒng)，是經(jīng)過(guò)高度工程設(shè)計(jì)的。你需要很多各個(gè)方面的經(jīng)驗(yàn)。你需要機(jī)械工程師，因?yàn)檫@些系統(tǒng)是相當(dāng)復(fù)雜的。你需要軟件人員來(lái)是系統(tǒng)簡(jiǎn)單可行的，并且可以在開(kāi)放的市場(chǎng)上進(jìn)行銷(xiāo)售。你需要機(jī)器人工程師來(lái)整合所有的部分。你需要焊接工程師來(lái)驗(yàn)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(lái)將這一切都實(shí)現(xiàn)?！?/p>

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(jī)器人自動(dòng)化也因?yàn)殍T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(kāi)創(chuàng)的，當(dāng)時(shí)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(gè)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(gè)3D的物體。Bredt說(shuō)這個(gè)詞最開(kāi)始是由他的論文導(dǎo)師創(chuàng)造出來(lái)的，并最終被整個(gè)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(lèi)型的工藝。

Bredt現(xiàn)在是位于美國(guó)馬塞諸塞州沃本市的Viridis3D公司研發(fā)部門(mén)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(lái)沒(méi)有丟棄他的“一見(jiàn)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(lái)Z公司被3DSYSTEMS公司收購(gòu)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(kāi)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(jī)，該機(jī)器在它所能處理的材料類(lèi)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(duì)鑄造廠的嚴(yán)苛工作。Viridis3D的團(tuán)隊(duì)關(guān)注砂模鑄造行業(yè)。

“很多你真的需要3D打印機(jī)才能制造的部件是那些你無(wú)法通過(guò)傳統(tǒng)工藝制造出來(lái)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(shuō)，“通過(guò)在設(shè)計(jì)中承擔(dān)更多的風(fēng)險(xiǎn)，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(gè)零件，因?yàn)樵O(shè)計(jì)問(wèn)題而失敗了，那么你并沒(méi)有真的失去那么多。通過(guò)可以在設(shè)計(jì)中承擔(dān)更大的風(fēng)險(xiǎn)，它擴(kuò)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(jī)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(lái)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(guò)程中，Bredt也在思考3D打印機(jī)器是如何設(shè)計(jì)的?！?D打印機(jī)基本上是一個(gè)裝有物料分配器的機(jī)器人?！盉redt說(shuō)?！霸谖覀儎?chuàng)建Viridis3D的時(shí)候，我就問(wèn)過(guò)我為什么要建造自己的機(jī)器人。我的專長(zhǎng)是在材料方面，不是機(jī)械設(shè)計(jì)。我為什么不去買(mǎi)一部機(jī)器人？那么我就能專心在材料分配方面了?！?/p>

對(duì)于Viridis3D公司來(lái)說(shuō)，在其3D打印系統(tǒng)中使用一部現(xiàn)成的工業(yè)機(jī)器人是突破競(jìng)爭(zhēng)的主要手段。“我們使用商業(yè)的機(jī)器人是一項(xiàng)有意思的差異，”Bredt說(shuō)?！按蠖鄶?shù)我們的競(jìng)爭(zhēng)者使用龍門(mén)系統(tǒng)來(lái)拉動(dòng)他們重得多的打印引擎。通過(guò)使用機(jī)械臂而不龍門(mén)系統(tǒng)，我們的打印頭設(shè)計(jì)輕巧、堅(jiān)固、并且可靠。”

使用機(jī)器人進(jìn)行3D打印

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

系統(tǒng)使用了一部標(biāo)準(zhǔn)的4軸機(jī)器人來(lái)創(chuàng)造砂型和砂芯，用于鑄造金屬零件。機(jī)器人配置了一個(gè)粉末材料給料器，用于分配砂子，還有一個(gè)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(jī)器人3D打印機(jī)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(shuō)更喜歡4軸機(jī)器人而不是6軸機(jī)器人，因?yàn)榍罢叩呢?fù)載能力更大。

“這些打印組件只有在水平放置的時(shí)候才能正常工作，”他說(shuō)，“打印頭在一個(gè)平面上移動(dòng)，并且慢慢的逐漸提高。4軸是理想的，因?yàn)樗麄兛偸窍拗圃谝粋€(gè)平面內(nèi)移動(dòng)，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。”

Viridis3D的RAM系統(tǒng)有著開(kāi)放的架構(gòu)。模具是在一個(gè)固定的桌子上制成的。桌面上是一個(gè)托盤(pán)，通過(guò)叉車(chē)來(lái)使得零件可以在機(jī)器內(nèi)外移動(dòng)。

“我們的工作臺(tái)是開(kāi)放的，你可以制造不同尺寸的零件，而不需要用材料將整個(gè)盒子填滿?！盉redt說(shuō)，另外，選用固定工作臺(tái)的原因是，我們發(fā)現(xiàn)在建造越來(lái)越大的機(jī)器的時(shí)候，很快基底的重量就會(huì)超過(guò)機(jī)器的重量。

交貨期短，節(jié)省空間

“制模工作是一個(gè)瀕臨絕跡的藝術(shù)，”Bredt說(shuō)，“具有50年模具的企業(yè)派出一個(gè)經(jīng)驗(yàn)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(duì)現(xiàn)有產(chǎn)品做反向工程。購(gòu)買(mǎi)過(guò)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?yàn)槟憧梢匀サ裟切┮驗(yàn)閮?chǔ)存模具所需要的費(fèi)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(shuō)他們將選擇材料目光放得更寬，不僅僅是砂子，其他材料會(huì)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(jī)器人會(huì)繼續(xù)承擔(dān)起負(fù)載。增材制造和機(jī)器人在一起會(huì)轉(zhuǎn)變我們對(duì)于加工制造已有的思維模式。