伊斯卡步入增材制造時代
2019-2-26 來源：伊斯卡公司可轉位銑刀技術經理 作者：Andrei Petrilin
前言
新千年迎來了金屬切削應用領域的革新性解決方案。伊斯卡公司作為金屬切削領域的技術先行者之一 ，正研究如何將增材制造工藝集成至刀具制造體系中。富于開創性的金屬切削技術促成伊斯卡的研發工程師們能在為用戶帶來降低生產成本，提高生產率的技術創新的解決方案方面不斷推陳出新。
增材制造技術
數字化革命（也稱為第三次工業革命）的主要成果之一就是推出了3D打印技術——即在計算機控制下通過熔融材料，逐層疊加生成具有三維（3D）特性物件的一種方式方法。以前，3Ｄ打印技術被視為“科幻小說”元素，在過去的二十幾年間，3D打印已成為一項為制造商們和設計師們這類群體所接納的一項頗受歡迎的因技術推動而帶來的增益項。
今天，該方式方法主要被稱為增材制造（AM）。增材制造這一詞條準確折射出3D打印最重要的兩大特點：制造：已經超越了原先人們所認知的快速成型領域，該方法已推廣至許多工業應用中，用于生產各種零部件；增材：與傳統的減材制造技術形成了鮮明對比，該方式方法通過不斷地疊加材料制造出所期許的物件。而傳統的制造方式只有在裝配階段才添補材料組件。
現在市面上有各種各樣的增材制造技術，這些技術基于不同的物理原理：激光立體印刷術（SL）、多噴頭建模（MJD）和激光燒結（LS）等等。根據最新的國家標準和國際標準，AM增材制造被明確地劃分為幾類。上世紀八十年代，3D打印開始被作為一種設計工具，用于實現原型的快速制造。通過3D打印，人們可以不再依賴于傳統的二維圖紙，而是可以創建出全息還原的3D模型；從而使人們能從美學、功能性、重量和表面光潔度等產品特性方面更好更直觀地理解物件；并且該技術的采用還能夠實現更快速的生產制造時間。
增材制造技術的應用
隨著3D打印工藝持續不斷的技術進步，人們最終步入了AM增材制造的時代。二十一世紀初，該技術開始被用于批量生產。與所有的技術創新一樣，隨著AM增材制造技術的普及，不斷增長的產業應用和規模經濟帶來相關設備銷售的快速增長，促使AM增材制造設備制造商之間產生了激烈的競爭，其結果是人們獲取該技術的代價在降低。盡管在某些人看來，3D打印機似乎是來自未來的技術；但是在許多應用領域，該技術已經變得像CNC機床一樣，成為了主流。
根據媒體和技術報告所稱，3D打印主要應用于航空航天、軍事、汽車和醫療行業，其中AM不僅僅用于原型制造，也可以用于小批量甚至大批量生產。盡管該技術的應用日益廣泛，但是距離成為全球金屬加工的主流技術，仍然還有很長一段路要走。
在醫藥、航空航天、汽車和軍事等難以盡數的行業中，增材制造技術為各種組件的生產打開了全新的視野。更令人驚喜的是，數字化技術簡單地抹去了物理空間的邊界，現在無論3D打印機與計算機相隔有多遠，人們只需將計算機模型發送到3D打印機即可進行生產，并且在組件生產過程中完全不需要進一步的人工干預。例如，現今在太空飛行期間，能實現在飛船上直接打印必要的備件。此外，還可以設計并特別定制骨科植入物。神奇的是，3D打印機還具有自我修復功能，甚至可以快速地生產自身所需的破損的部件或臨時替代部件。
在航空航天業中，雖然有一些小型零件、配件及硬件非常適合采用3D打印制造，但是為安全起見（可以理解為，因為航空航天業對安全性的要求非常高），AM增材制造生產出的關鍵部件還需要通過各種嚴格的測評后，才能用于取代依賴傳統加工方法所制造出的零部件。然而，人們通常能將AM增材制造用于制造各種各樣的固定裝置、夾具、量具；飛機的生產涉及了整條復雜的生產制造鏈，需要大量的夾具。從這一方面來看，在生產中引入AM增材制造從根本上減少了生產準備的時間和成本。
大大減小的尺寸和不那么嚴苛的安全標準為AM增材制造應用于無人機（UAV）制造開啟了大門，這種新方法不僅可以減輕重量，還能以更低的成本更有效地從空氣動力學角度來塑形無人機。
在全球的航空航天領域，鈦是最常用的材料之一。而鈦基合金零件通常都通過減材制造的方法加工來的。在典型的加工過程中，大多數昂貴且難以加工的材料被切除。飛機制造商們正在致力于使用鈦粉來生產相對小型的鈦基合金零件。類似于航空航天業的這一做法，人們同樣也將AM增材制造技術應用于汽車制造業。
增材制造的優缺點也是并存的，準確理解這些優點和缺點就可以更好地在金屬切削領域定義AM增材制造：
優點：在生產制造復雜零件時，采用增材制造能顯著降低生產成本；極大的靈活性是該技術的另一項主要優勢，例如，您可以使用同一臺3D打印機來輕松制造不同的零部件，而無需進行大幅度的調整；此外，在實際的原型制作中，只需通過編輯零件的計算機模型，并進行重新打印即可完成零件的設計更改，因此AM增材制造技術不但能夠顯著地縮短從概念到交付的這一周期，還能夠通過快速制造相合的部件對現有設計進行更改；從工程的角度來看，該方式方法確保了所生產出的原型零件非常貼近人們的設計：比如不同壁厚卻具有同等強度；必不可少的可提高有效流動效率的管道形狀等等；另外，在增材制造過程中，因所用即所得從而大大節約了生產中的物料成本。
然而，AM增材制造并非沒有缺點：在精度方面，該技術尚不能滿足零件表面精度要求，因此通常需要采用傳統加工方法進行精加工；并非每種工程材料都適合于通過增材制造方法制造零件；目前的3D打印機工作空間尺寸有局限性，不能用于生產大型部件。
伊斯卡將增材制造應用于刀具制造領域
伊斯卡的研發部門深諳AM增材制造的優缺點，并基于這個認知將其應用于金屬加工領域。當用于生產切削刀具時，3D打印也可以提供多種情況下的解決方案。通過AM增材制造能實現在刀體內創建復雜的內部通道和腔體。這些特征可以使冷卻液流經刀體內流道直達刀具切削區域實現冷卻。在設計高壓冷卻刀具(HPC)時，刀體內部冷卻通道及其橫截面形狀是關鍵因子；增材制造為內部通道的“成型”提供了理想的解決方案。此外，AM增材制造技術還能夠制造具有排屑槽，復雜表面形狀，背錐和清根等特征的刀體。而采用傳統技術時，這些特征都只能通過切削加工來實現的。在這些領域中，AM增材制造的應用將減少生產工步并縮短加工周期。此外，AM增材制造還能確保在成形過程中兼顧刀體強度和排屑槽空間之間的完美平衡。
當AM增材制造發展到允許采用硬質合金粉末或具有相似物理性能的材料來打印物件時，刀具制造將抵達一個全新的起點。伊斯卡研發工程師們正在采用新的加工方法來制造可轉位刀片，取代早前昂貴且耗時的模具壓制工藝；能顯著縮短刀體和刀片的從研制到實施切削試驗的周期。
盡管AM增材制造在刀具行業的應用有著鼓舞人心的前景，但仍有幾個障礙需要克服。目前，由于受到精度的限制，3D打印還無法完全取代傳統加工。例如心軸或刀柄的中心孔表面需要磨削加工；刀體的刀片定位槽基準面需要銑削加工；內孔螺紋也需要進行螺紋加工。值得注意的是，機床生產商已經推出了“混合制造”加工機床，融合傳統的金屬減材制造技術與3D打印技術于一體。但這些采用增材制造技術生產的零件的疲勞壽命、疲勞斷裂和高速旋轉下的可靠性都還有待考究。
伊斯卡作為世界領先的切削刀具生產商之一，其研發部門已引進了AM增材制造這一全新的技術，目前還有限地應用于制造原型；另外還主要用于小批量生產。這些領域的進展意味著在不久的將來，3D打印技術將在切削刀具生產領域得到廣泛應用。
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如果您有機床行業、企業相關新聞稿件發表，或進行資訊合作，歡迎聯系本網編輯部， 郵箱：skjcsc@vip.sina.com
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