淺談 3D 打印與切削混合制造工藝的原理與應用
2022-4-22 來源： 山東理工大學機械工程學院 作者： 高希坤
1. 引言
3D 打印增材制造成形的最大特點是分層制造，從原理上就使得采用 3D 打印所制作工件的幾何尺寸精度和表面質(zhì)量比著傳統(tǒng)減材制造的工件較差。如圖 1（a）所示，可以直觀地看到 3D打印成型表面微觀結構表面的粗糙度在不同的特征上差異較大，如圖 1（b）所示，采用激光或電子束 3D 打印成型的工件，由肉眼可清晰觀察到 3D 打印工件的表面紋路。
目前，應用 SLM 技術 3D 打印的零件尺寸精度為 20~50μm，表面粗糙度為 5~50μm。因此，由 3D 打印制造的零件，還需要根據(jù)具體要求進行整形、切削（磨削）、拋光或噴丸等后續(xù)處理。如果僅考慮工件的外形幾何尺寸和外表面質(zhì)量，可以將 3D 打印完畢的工件進行數(shù)控切削加工，以獲得滿足要求的零件。但是，對于同時具有較高精度要求內(nèi)外幾何特征的零件，典型的如隨形模具，則以上工藝難以實現(xiàn)。因此，為了同時獲得 3D 打印高效制造的能力與減材制造的高精度，有必要研究與開發(fā)各種形式的增減材混合
制造技術。
2. 增減材混合制造原理
增減材混合制造的工作原理是將 3D 打印技術與數(shù)控切削技術相結合，在同一臺機床上實現(xiàn)加法和減法的制造。增減材混合制造一般采取將3D 打印裝置安裝在數(shù)控切削機床上，實現(xiàn)工件的快速 3D 打印，并在同一臺機床上進行數(shù)控切削加工，工件表面粗糙度可以達到納米級。增減材混合制造不僅避免了原本在 3D 打印機床與數(shù)控切削機床轉(zhuǎn)換時時工件的夾持和取放所帶來的定位誤差，提高制造精度與生產(chǎn)效率，而且也節(jié)省設備的占地面積，降低制造成本。
考慮到數(shù)控銑削加工的靈活性，切削機床多采用數(shù)控銑削機床，也有采用磨削或其他類型的機床。
根據(jù)具體的工件要求，可以采取少層 3D 打印 + 切削、多層 3D 打印 + 切削、3D 打印完畢+ 切削等增減材混合制造的方式。其中，少層或多層 3D 打印 + 切削的方式主要用于制造含有復雜內(nèi)外型面特征的零件，使得 3D 打印完畢之后難以切削的工件特征得以精密切削，獲得高尺寸精度和高表面質(zhì)量的全工件特征。3D 打印完畢 + 切削等增減材混合制造的方式適合于沒有復雜內(nèi)外型面特征的零件制造，這一方式與 3D 打印完畢之后再進行切削加工類似，但是由于工件不用二次裝夾，有效減少定位誤差，提高制造效率和制造精度。基于目前的技術，從生產(chǎn)成本上看，采用少層或多層 3D 打印 + 切削的方式，在機床內(nèi)反復進行 3D 打印造型與切削的復合加工，生產(chǎn)成本最高。采用 3D 打印完畢 + 切削等增減材混合制造的方式，3D 打印造型后在機床內(nèi)做一次性切削精加工，生產(chǎn)成本適中。不具備增減材混合制造機床條件下，對于精度要求一般的工件，3D 打印造型后，在其他機床上做切削精加工，生產(chǎn)成本最低。應該指出的是，雖然各種制造方式的生產(chǎn)成本差異較大，但是，從制造質(zhì)量上看，費用較高的制造方式，質(zhì)量也比較高。
3. 增減材混合制造應用
增減材混合制造的用途非常廣，理論上講，3D 打印制造的應用領域，也就是增減材混合制造的應用領域，只不過根據(jù)不同的 3D 打印方式制作，所采用的具體減材制造的工藝和工裝會是多種多樣的。采用各種不同 3D 打印方式制作的零件，均可以采用增減材混合制造的方式來提高尺寸精度和表面質(zhì)量。以 DMG-MORI 公司的增減材混合機床制造為例，如圖 2 所示，可以用作零件修復、零件加工和零件直接制造。
帶有隨形冷卻水道的模具組件制造是增減材混合制造的一個重要應用領域。冷卻水道在模具中的形狀不是直線型，而是隨著注塑制品的外形變化。注塑模具冷卻的常用辦法是在模具內(nèi)開設冷卻水通道，利用循環(huán)流動的冷卻水帶走模具的熱量。傳統(tǒng)的模具組件是采用交叉鉆孔等工藝技術來制造注塑模具的冷卻水路，而隨形冷卻水路通道是自由彎曲的，能夠與注塑零件的幾何形狀緊密貼合，使得注塑過程中能夠更加快速的帶走熱量，顯著縮短冷卻時間。帶有隨形冷卻水路的模具組件使得注塑模具的循環(huán)時間減少 10％至40％，在制造塑料部件時能夠增加 30%~50％的產(chǎn)量，大幅度降低注塑生產(chǎn)的成本，同時，由于采用了隨形冷卻水道，注塑生產(chǎn)的零件整體質(zhì)量得以提高，并大幅度減少了翹曲變形。采用傳統(tǒng)制造工藝，隨形冷卻水路難以采用和制作，采用 3D 打印技術，則完全沒有技術障礙。
但是，單純采用 3D 打印技術并不能夠保證模具的質(zhì)量，而且隨形流道在 3D 打印完成之后，沒有工藝可以采用以有效地進行精密加工，流道的表面質(zhì)量不可控，尤其是一些細微直徑尺度的流道，長時間通冷卻水之后會造成流道的堵塞，有可能會提前使得模具報廢。而采用增減材混合制造技術，這一問題迎刃而解，可以獲得具有同樣精度和表面質(zhì)量的內(nèi)表面和外表面，完全滿足所需設計要求。
船舶用零部件制造是增減材混合制造的另外一個重要應用領域。由于船舶配套零部件批量小，較多的屬于非標產(chǎn)品，如螺旋槳、螺旋銷、箱式熱交換器等，特別適合增減材混合制造。其中，增減材混合制造的船用螺旋槳直徑為 1.35m，重量為 400kg，材料為鎳鋁青銅合金，這種螺旋槳已經(jīng)通過了船級社認可和批準使用。
根據(jù) 3D 打印方式的不同，增減材混合制造的類型有多種，主要材料有熱塑性塑料、金屬、石膏、陶瓷等，材料類型主要有粉末和線材，所用造型方式有激光、電子束、熱熔等。根據(jù)減材方式的不同，主要有 3D 打印與車削、銑削、磨削等的增減材混合制造方式。
4. 結語
增減材混合制造技術將 3D 打印技術與數(shù)控切削技術有機的集成在一起，從原理上提高了生產(chǎn)效率、降低了生產(chǎn)成本、拓寬了產(chǎn)品原材料的加工范圍，并有利于減少原材料消耗和切削液的使用，有利于環(huán)境保護，大力推動著 3D 打印技術在多個領域的實用化發(fā)展進程。因此，增減材混合制造具有廣闊的應用前景，必將得到越來越廣泛的應用。
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