增材制造 (AM) 的主要价值主张之一是能够制造出使用传统方法无法制造的具有复杂几何形状的零件。可以使用从熔融沉积建模 (FDM) 到立体光刻 (SLA) 甚至选择性激光烧结 (SLS) 等一系列技术来打印零件。但是，虽然材料大不相同——分别是挤压塑料、固化液体和熔化粉末——但这些技术传统上依赖于 XY 平面上的二维加工路径，这些平面层在 Z 方向上堆叠。在某些情况下，这种对平面打印层的依赖是一个真正的限制。
AM 的下一步在于最先进的多轴打印和支持这种革命性打印技术的软件工具。
3D 金属打印机生产钢铁零件。 （所有图片均由西门子提供）采用多轴打印作业对增材制造有三大改进——打印过程中可以有效去除变量的重力，提高零件在负载下的性能，大零件变得更容易打印。这些好处中的每一个都来自多轴处理沉积材料的独特方式。在寻求优化复杂几何形状以提高性能、效率和重量的行业中，实施多轴打印即使不是主导作用也可以提供优势。
Beating Gravity
增材制造已经发展走出试验阶段，该行业努力解决可用于调整的基本参数。从那时起，增材制造已经发展成为一个有价值的过程，用于创建许多行业中可用的最复杂、最高效和最独特的组件。多轴打印是下一代增材制造技术，使打印部件能够如果不是不可能的话，用平面方法打印也是很困难的。悬垂是许多 3D 打印技术的一个问题。重力会导致许多印刷材料在加热时变形或下垂。然而，当打印组件可以在打印过程中重新定向以消除重力引起的变形时，这个问题就会得到缓解。然而，以这种方式解决失真意味着创建打印沉积路径更加复杂，需要更大程度地依赖协调的软件和硬件系统。
使用多轴打印消除重力引起的失真可以打印更复杂的内部结构。共形冷却通道、内部叶片、复杂格子和其他中空或薄壁结构在不需要支撑结构的情况下是可能的。通过消除平面生产限制，多轴技术可以对其余系统要求进行卓越优化。这可以导致更轻的重量 p艺术、更好的冷却能力、更高的屈服强度或许多其他积极的设计属性。多轴增材制造正在将零件设计带入复杂性和性能的新领域。
提高应力性能
除了在制造过程中重力施加在打印件上的静态应力外，多轴轴技术可以最大限度地减少现场加载应力对零件的影响。多轴不是完全依赖平面分层方法，而是可以集成 3 维打印图案来提高材料强度。例如，平面打印通常会导致部件在 Z 方向上的应力导致部件在层之间分离。
平面 3D 打印通常在层之间表现出弱点，其中先前打印的层之间的热特性不同和正在印刷的层会导致较弱的粘合。在平面过程中防止这种情况的最佳解决方案是尝试优化组件的方向在打印体积内最大限度地耗散力，从而阻止分层失败。虽然这种方法可能很有效，但以平面方式对齐打印层会固有地引入弱点。
多轴打印的应力改进在很大程度上取决于几何形状。然而，一般而言，多方向印刷可提高印刷品的整体强度特性。多方向打印允许复杂、连续的沉积路径，如螺旋线，其中沉积在 X、Y 和 Z 方向上同时不间断地移动。这并没有减轻层间粘合强度的降低，而是将弱点分布在多个方向上，从而导致强度特性的整体改善。此外，甚至可以优化多轴工具路径以减少打印区域的过热。过热改变了局部材料结构，为应力失效提供了另一种途径重在之前讨论的纯粹平面之上。
无论使用何种材料或沉积方法，多轴打印都需要比其他技术更精细的打印路径。诸如沉积材料的最佳角度、打印头的移动是否会干扰打印区域内的组件或其他系统以及在重新定位零件以防止下垂之前需要多少冷却时间等因素都必须考虑在内.然而，现代软件系统（例如多轴过程模拟工具）已进入打印过程以减轻其中的许多问题。
打印更大
许多打印技术在尺寸，因为最终零件必须适合制造机器的占地面积，就像 CNC 加工过程受机器尺寸的限制一样。大幅面 3D 打印确实存在，但与扩大平面打印相关的复杂性限制了它到利基应用程序。平面大幅面打印机通常需要精度最低的大型龙门架，大多数应用仅限于海洋、房屋和建筑项目。
但多轴打印机打破了在盒子内打印的限制，同时仍然提供该技术的所有先前优势。与标准平面打印机相比，基于机械臂的机器不是创建一个足够大的封闭式打印机来容纳最大的打印件，而是可以提供更灵活的打印区域和更好的成本缩放。消除与平面打印相关的空间限制，可以为航空航天、海洋和其他各种寻求提高产品性能的行业提供更大的组件。
使用机器人技术进行更大规模的打印也需要复杂的软件来驱动硬件过程。与封闭打印操作相比，不仅长度尺度有很大不同，而且机械臂还可以生产一个非常不同的打印区域——如果臂安装在地板上而不是更传统打印机的直角棱柱，则类似于半球。
当大幅面打印与多轴加工相结合时，生产的零件可以甚至在精度方面与更传统的流程竞争。在扩大 3D 打印过程时，精度是通过软件和硬件的组合创造的。软件包定义沉积路径的能力与适当的硬件控制相结合的零件几何形状一起工作，而不是与之相反，这使得打印可以缩放到大格式，同时保持必要的精度。
图 1 - 打印大幅面零件通常需要能够处理更大尺寸零件的多轴机器。
多轴打印的沉积路径可能非常复杂，可以包括完整的六度运动，需要路径定义的精确性，还需要硬件遵循该路径的能力的精确性。普通 3D 打印机在公差范围内的小偏差在缩放到大幅面尺寸时可能会变成远远超出允许公差的大偏差。这就是创建特殊软件包以确保大幅面多轴打印的沉积路径准确的原因。从那时起，硬件负责准确地复制这些沉积路径，因此许多大幅面打印机使用工业控制。经过数十年在 CNC 过程中的使用，工业控制已被证明具有复杂三维运动所需的精度。这就是为什么大幅面多轴打印需要创新软件和工业控制相结合的原因。
让它成为现实
多轴打印优势的一个很好的例子来自可再生能源市场的风力涡轮机维修。将叶片捕获的能量传输到发电机中的齿轮无论是比喻还是字面上都是巨大的。即使使用回收材料，重新制造钢部件也需要大量能源。然而，使用多轴添加剂，材料和能源成本只是制造新齿轮所用成本的一小部分。虽然基于 AM 的修复已应用于其他产品，但这些齿轮的规模需要多轴打印技术。
在磨掉齿轮上磨损的齿后，再用 AM 重建这需要一个用于笨重齿轮的旋转支架和一个串联工作的安装在机械臂上的打印机。这些多角度的运动使得能够在不考虑重力的情况下沉积材料。齿轮上的每个齿都填充有交替的沉积路径以提高强度和d 覆盖在钢接触表面以提高耐用性。由于此过程需要机械加工、多轴打印和后处理，因此综合软件解决方案可以简化工作流程，使大型涡轮齿轮等零件尽快恢复运行。
更大，更复杂的零件
多轴打印处于增材制造工艺的前沿，能够打印出比以前更复杂的零件。
消除重力限制可以改进设计意图，因为在创建曾经容易下垂的几何形状时无需进行任何补偿。增加的运动自由度使制造商能够放弃平面分层部件，转而转向连续沉积路径以改善应力特性。此外，多轴打印让工程师跳出框框思考，而不是局限于更小的尺度，机械臂可以扩大多轴打印部件的可制造尺寸。
图 2 - 与大多数打印操作一样，多轴打印通常需要打印后加工步骤。
支撑所有这些改进的是一个可以处理与打印相关的新信息的软件环境过程。 Siemens Software 在建模和打印方面的广泛背景对于希望采用下一代打印技术的公司来说非常有价值，我们投入了时间和经验来为增材制造的未来创建多轴沉积路径的独特解决方案。
