考虑在一个平台上结合增材和减材加工的新理由
大型增材和减材模块化机器开发单元，在轨道上有两个巨大的发那科关节机器人，执行线材和电弧增材沉积，一个旋转零件旋转器和构建平台，以及用于减材加工的 Tricept 装置。Manufacturing Engineering 于 2017 年 7 月详细介绍了结合增材和减材加工的优缺点。基本动机保持不变：无论您使用哪种增材方法使用，生产令人满意的零件几乎总是需要后续加工。虽然在某些情况下，使用单独的铣床或车床进行后处理更有意义，但混合机器的成本低于多台机器，占用的空间更少，需要的编程也更少，并减少处理和在制品。此外，混合动力使您能够在构建内部特征时对其进行检查和加工。但我们三年前就知道这一切。发生了什么变化？
新材料拓宽了应用
混合材料的一项令人振奋的进步是能够组合材料，从而创建专用合金或过渡区。例如，来自美国伊利诺斯州霍夫曼庄园的 DMG Mori USA 的 LASERTEC 系列机器具有双送粉器，可以在整个构建过程中沉积两种不同的材料，精确计量流量。正如该公司增材制造部门的销售和服务经理 Nils Niemeyer 解释的那样，“功能梯度材料在学术界已经讨论了一段时间，但我们已经将其商业化。例如，您可以在零件的一个区域使用 100% 的工具钢，然后如果需要更高硬度的区域，则混合一些高速钢。一层一层的，工艺从一种材料过渡到另一种材料，直到可能出现 100% 的高速钢和 0% 的工具钢。”他补充说，过去，操作员必须手动为送粉器编写 NC 代码，以更改每一层的进料。但 DMG Mori 和西门子合作为 Siemens NX 软件添加了一项功能，使用户能够对无缝过渡曲线进行编程。
Niemeyer 为控制材料之间的过渡提供了另一个好处：硬质材料的传统方法-面对零件会在硬质材料和软质材料之间的区域产生应力集中。 “但现在，因为我们有能力轻松分级，我们可以创建一层或两层过渡，从软材料到硬材料的平滑过渡。突然间，你减轻了压力。”
DMG Mori 的 AM据该公司称，LASERTEC 65 3D hybrid 允许更多公司在生产中应用该技术，而且启动时间要短得多。他承认，由于它仍然是一项颠覆性技术，分级材料（包括磁性分级）的用例行为）仍在调查中。一个真实的成功案例是一家滚子轴承制造商与 DMG Mori 合作制造具有不同硬度的轴承保持架。具体来说，保持架沿轴承行进的直线具有非常高的刚度和硬度，但在侧面融入了硬度较低、延展性更强的材料，以更好地吸收任何冲击。
已用零件的延长使用寿命
就像在 2017 年一样，混合动力机器最容易被证明是维修和改装现有零件的理由。但是，虽然涡轮叶片维修业务在当时似乎是最重要的市场，但尼迈耶表示，模具和工具制造现在具有更大的潜力。一方面，他观察到，涡轮机 blade 几何形状更简单，“并且有非常专业的利基应用程序来修复它们。”工具和模具之间存在巨大的几何变化，“没有专门的过程。业界一直在手动修复它们，焊缝质量不稳定。”
例如，位于密苏里州特洛伊的 Bodine Aluminum 使用 LASERTEC 65 3D hybrid 修复铝压铸模具与手动过程相比，修复模具的寿命增加了三倍，与新工具的寿命相当。更重要的是，这些修复比传统方法更快，而且通常一次就成功。奥地利因斯布鲁克 Friedrich Deutsch Metallwerk GmbH 修复铝压铸模具的过程包括两个小时的预热、八小时的手工焊接、两小时的冷却和 30 分钟的铣削。这四个过程步骤持续了两天。在 LASERTEC 65 3D 上进行维修只需一次设置、一小时的编程和两个小时的激光沉积和加工——节省 80% 的时间。
德克萨斯州麦金尼市 Hybrid Manufacturing Technologies 的联合创始人兼首席执行官 Jason Jones 博士赞同 Niemeyer 的评估，即模具维修是现在的大生意。 2017 年，ME 报告称，由于 PBF 的零件密度更高，粉末床熔合 (PBF) 技术在模具应用方面优于定向能量沉积 (DED)。但 Niemeyer 和
Jones 均表示，他们的 DED 系统实现了超过 99% 的所需零件密度（取决于材料和参数）。
Jones 补充说，混合离散材料的能力是送粉 DED 工艺所固有的，不必局限于两种，他说“因为我们可以改变流经喷嘴的粉末—— fly，它可以是任意数量的材料”，并且任何给定的机器设置都可以包括两个、三个、四个甚至更多的粉末供应。
混合不构建数控机床。它提供了一系列可互换的 DED 头（品牌为 AMBIT），适合任何标准机床主轴。该公司已与希望为其机器添加 AM 功能的最终用户以及希望提供该功能的机床 OEM 合作。后者在过去几年中已发展到 10 家公司，包括 Haas Automation、Mazak、Hurco、Sugino、Georg Fischer、ELB 和 ROMI。
DMG Mori LASERTEC 3D 混合机床结合了不同数量的铜和铝，进行后处理加工以生产这种双通道热交换器。自 2017 年以来的另一个变化是可能的珠子尺寸范围增加。 AMBIT 头部现在从 0.5 毫米增加到 6 毫米（~0.02 到 0.24 英寸），Jones 指出构建体积的增加与宽度变化的平方成正比。
新的多材料零件
在某些情况下，混合和定制材料的能力使混合机器成为新零件创建的正确解决方案。例如，琼斯说，一些客户“不只是想修理模具。他们想制造比新的更好的模具。他们习惯于用单一材料制作模具，现在您可以使用多种材料。”
Jones 说，他看到很多模具制造商使用该技术沿复杂边缘添加硬面的案例，“比如分型线或其他磨损区域。如果将高性能材料局部应用于这些区域，它通常可以使模具的使用寿命延长一倍或三倍。”
Niemeyer 指出了一个案例研究，在该案例研究中，客户使用青铜芯上的工具钢。核心更好的导热性将模具的冷却性能提高了大约 20%，而不会降低模具的使用寿命，从而提高了产量。
Niemeyer 说，航天工业是一个还表现出对混合动力机器的兴趣增加，部分原因是材料成本。 “以铬镍铁合金为例。很难加工。因此，您无需从坯料中加工大量材料，而是可以生产近净形状，并且只在需要的地方精加工表面。”航天器中使用的铜合金是另一个很好的例子，他补充说，它们有时与铬镍铁合金结合使用，例如在铜上镀铬镍铁合金的火箭喷嘴。
“这些火箭喷嘴的交货时间可能为九个月”尼迈耶解释道。 “如果你突然能够在四个星期内制造出一个喷嘴，那么 [工程师] 就可以改进该火箭喷嘴的设计。这导致喷嘴的生产率和效率提高。你不会看到加工成本的节省，但你会看到零件效率的提高，最终导致生命周期中的成本降低。” Niemeyer 认为，在决策时必须考虑整个供应链g 如果混合动力机器是一项明智的投资。 “孤立机器成本是不够的。您需要端到端地考虑，并考虑进口零件的交货时间长等问题。”
Hybrid Manufacturing 的最新产品还包括打印聚合物和聚合物复合材料。正如 Jones 所说，每个增材工艺都必须在体积沉积速率和表面对实际模型的保真度之间做出基本选择，而混合机器旨在解决这个问题。但是，尽管 AM 的塑料方面拥有从“桌面式机器到可以真正打印汽车的用于聚合物挤出的房间规模机器”的一切，但没有任何有效的混合解决方案。 Jones 的团队创造了一种头部和控制解决方案，其沉积速度“比典型的聚合物挤出机快 200 到 2,000 倍。它现在采用台式机上的东西并将其放大以适应 CNC 机器主轴或机器人上。”这意味着快速打印米级零件并使用传统机加工进行表面精加工。
一个关键应用是在金属零件周围或内部制造夹具和夹具。 “假设您正在加工一个又高又薄且容易颤动或振动的零件，”琼斯说。 “通常情况下，它会用坚硬、坚固和坚硬的东西固定，人们会担心刀具会撞到它。相反，我们可以在零件周围打印聚合物以减少振动，而不用担心刀具会碰到它。我们制造了一个我们打算被磨掉的牺牲部件。”琼斯补充说，涡轮叶片和叶盘是这种方法的理想选择。
Hybrid Manufacturing 的新打印头可快速打印米级聚合物和聚合物复合材料部件，然后切换到表面加工。Build Volumes Expand
制造更大零件的选项是混合机器世界的另一个最新变化。 DMG Mori 的新型 LASERTEC 125 3D Hybrid 拥有 49 × 29"（1,244 × 737-mm）构建体积和最大工作台负载 4,409 lb（2,000 kg），而 LASERTEC 6600 3D Hybrid 铣/车可处理最大 41" 的零件（1,050 毫米）直径和高达 19.7'（6 米）的中心间距。
Hybrid Manufacturing 参与了欧盟 (EU) 的 Open Hybrid 项目，并与德国龙门制造商 Güdel 合作创造了 Jones 描述的产品作为“房间规模的机器”。我们研究了数米宽的 Weir 泵组件铸件。”
Hybrid 还为该项目开发了一种线材进料沉积系统，而不是其通常的粉末进料系统。 Jones 说金属丝是可取的，尤其是在较大的机器规格中，因为它的成本低于粉末原料，而且更安全。 “有了电线，就没有粉末了不必担心吸入，不会因钛或铝等反应性材料而爆炸，”他说。
不够大？与位于葡萄牙波尔图萨尔沃的欧洲焊接、连接和切割联合会 (EWF) 的人们交谈。他们领导了欧盟为期三年、耗资 400 万欧元（450 万美元）的大型增材和减材模块化机器 (LASIMM) 项目。 LASIMM 于 2019 年完成，目前正在商业化，它结合了机床制造商、学术机构和最终用户的努力，创造了一个近乎无限尺寸的机器概念。
作为 Eng. EWF 副主任 Eurico Assunção 解释说，AM 部分依赖于克兰菲尔德大学开发的专有焊丝和电弧添加剂 (WAAM) DED 方法，能够以每小时 8.8 磅（4 千克）的金属沉积速率进行沉积。 “这是冷金属转移，这是一种 MIG/MAG 工艺，”Assunção 补充道。 “但是根据应用我们 c还提供等离子工艺。”这项工作还验证了在整个构建过程中提供局部屏蔽以实现钛等反应性材料沉积的能力。可用金属的列表从各种钢延伸到铬镍铁合金、铝、钛、钨、钼、青铜、铜等。
减法功能由 LOXIN Tricept 模块处理。现在是 Aritex 集团的一部分，LOXIN 将其称为并联运动学机器 (PKM)，因为它基于一个由三个平行移动执行器组成的三脚架，这些执行器连接在中央滑动管的末端。末端的旋转头和手腕使该装置达到五轴插补。 “Tricept 模块结合了极端的动态、高刚度和很长的作用范围。事实上，它的刚性足以使高压冷轧和喷丸能够细化金属的微观结构，”Assunção 说。此外，Tricept 装置可以使用可更换的头来在机加工和 WAAM 或等离子焊接 AM 之间切换。
EWF 的项目经理 David Barbosa 补充说：“PKM 的长距离允许为单独的机器人提供必要的空间，以进行增材和减材加工。 PKM 的多个自由度使其能够以合适的刚度和精度到达各种点以进行减材加工。”
在 LOXIN 建造的 LASIMM 演示机器在一组导轨上集成了两个巨大的关节式 FANUC 机器人（全部由 Global Robots 设计）、移动柱上的一个 PKM Tricept 单元（平行于机器人导轨），以及一个带有两个柱和位于机器人和 PKM 之间的同步驱动器的部分旋转器。每个机器人都配备了 WAAM 头，PKM 的配置如前所述。
这种专有的线材和电弧添加剂 AM 方法 d以高达 8.8 磅/小时的速度沉积金属。但是，这只是一种可能的配置。 LASIMM 团队设想了更长的装配线，配备多组零件旋转器，以及在两组导轨上配备八个或更多机器人的巨型系统，以及沿线移动的高架龙门架上的 PKM 单元。 “该项目告诉我们，一种机器架构无法满足所有需求，”Assunção 说。 “机器是模块化的，因此我们可以添加和删除机器人或功能。 LOXIN 专注于这些集成系统，因此我们已准备好构建量身定制的解决方案。”
Barbosa 说，EWF 和 Autodesk 开发的软件可以从一个用户界面操作加法和减法功能。 “该软件包括机器的数字模型。您在计算机上设置零件，后处理器创建一个文件来控制机器。基本上，它是 PowerMill 加上 LASIMM，”他说。
商业案例是什么拉西姆？ Assunção 说这取决于零件的几何形状。和较小的机器一样，一个关键的理由可能是在构建零件时是否需要加工特征。另一个可能是零件体积和吞吐量。 Barbosa 说：“BAE Systems 是该联盟的最终用户之一。他们希望减少产品的制造时间和成本，包括大翼梁之类的东西，并且他们希望能够按需生产零件，为特定应用量身定制。混合加工是实现这两个目标的最佳方法。”
过程中质量控制
混合加工供应商还提高了监控和维护零件质量的能力。 Niemeyer 说 DMG Mori 的机器包括一个传感器，可以跟踪喷嘴和零件之间的距离，并在需要调整时警告操作员。内置算法还可以检测潜在的喷嘴粘附。粉末进料是自动化的并受到监控，以确保恒定的流量w。机器监控环境温度以及机器内部零件、工作台、主轴和设备的温度。他说：“我们已经将过去七年中学到的知识融入到软件和传感器套件中。”
Hybrid Manufacturing 的 Jones 更进一步，认为混合加工提供了未充分利用的机会来验证零件几何形状和原位微观结构。在传统 CNC 中，零件微观结构主要由钢厂决定。 “从传统的 CNC 切割角度来看，您实际上只影响 [然后测量] 零件表面的外部 10 或 15 微米，”他说。在 AM 中，机器在构建时创建零件形状和微观结构。因此，Hybrid Manufacturing 的目标之一是检查机器中的零件密度，包括过程中和完成后。它使用涡流探头来执行此操作，从而产生电场并测量材料的电导率。
“磁头只是掠过表面，”琼斯说。 “在存在裂缝或空隙的地方，电子没有连续的流动路径，因此它们必须四处走动，而系统会对此进行测量。”对于典型的模具，该过程需要 20-30 秒，而传统的模具渗透测试需要 20-30 分钟。
安全操作混合机床
增材机器需要新的安全性考虑因素和程序。 Okuma 的 LASER EX 机器——标准 Okuma 五轴加工中心（MU 系列）或五轴多任务机床（MULTUS 系列）的组合，包含用于激光金属沉积的 Trumpf 激光器。除了 Trumpf 提供的标准激光安全注意事项外，Okuma 还创建了以下安全检查表：
管理
- 培训：操作员接受安全使用机械或工具的培训，包括标签和手册。
- Lockout/Tagout：维护人员在调整和维护机器时需要关闭机器电源并在机器上挂上带有标签的锁。
- 灭火：机器连接到报警系统；操作员了解检查要求。
- 地板标记：用于安全意识的适当标记（基于 OSHA 要求）。
- HVAC/湿度：房间控制在粉末要求范围内。确保定期更换过滤器。
- SOP：必须有书面程序。
- 首饰：操作机器时不要佩戴。
PPE （个人防护设备）
- 服装：防静电，能够防止金属粉末
人员接触。 - 眼睛防护：面罩、护目镜、或安全眼镜。
- 听力保护：耳塞或耳罩。
- 呼吸器：过滤金属粉末的能力——只有在将粉末装入罐中时才需要。
- 易燃储物柜：需要时，基于
金属
设备
- 气瓶和压力表：妥善固定以避免任何泄漏。
- 安全设备：洗眼器或安全装置符合 OSHA/ANSI 规范的淋浴器。
- 地垫：防静电垫。
- 湿/干真空吸尘器：“防爆”，能够处理可燃粉末。
- 网络连接：机器和激光允许传输文件和更新系统。
—Michael Lail，Okuma America Corp. 质量保证合规经理
