增减材复合加工技术发展

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来源：高端装备发展研究中心

　　增材制造无疑是一种非常高效的制造方式，但在产品的几何尺寸精度和表面光洁度方面，该工艺的效果不太理想，而传统的数控机床属于“减材加工”具有高精准度和易于切削加工等优点。可见减材制造与增材制造的优缺点具有很强的互补关系。将数控加工与增材制造进行有机集成，以实现增减材制造工艺的复合，不仅能够提高生产效率，降低生产成本，拓宽产品原料加工范围，还可以减少生产过程中切削液的使用，保护环境，具有广阔的应用前景。

增材制造与减材制造对比

　　结合不同工艺操作的混合机器，至少在一般的减材加工领域已经不是新鲜事。但是不同制造工艺在实际操作中很难互相配合(而且十分昂贵)，所以这种设备并不真正能够提高制造速度，而是能够带来精确度的提高。增材和减材制造技术的组合研究已经有20多年历史，但直到最近才在民用领域有一些应用经验。第一台商用混合机床是上世纪90年代末期日本的一项大学/工业联合研究项目中开发出来的，是将激光粉末熔融与CNC加工相结合的机床。

　　增减材复合加工技术的特点

　　增减材复合加工技术是一种将产品设计、软件控制以及增材制造与减材制造相结合的新技术。借助于计算机生成的CAD模型，并将其按一定的厚度分层，从而将零件的三维数据信息转换为一系列的二维或三维轮廓几何信息，层面几何信息融合沉积参数和机加工参数生成增材制造加工路径数控代码，最终成型三维实体零件。然后针对成形的三维的实体零件进行测量与特征提取，并与CAD模型进行对照寻找误差区域后，基于减材制造，对零件进行进一步加工修正，直至满足产品设计要求。

　　由此在同一台机床上可实现“加减法”的加工，是现有的数控切削加工和3D打印组合的混合型方案。这样，对于传统切削加工无法实现的特殊几何构型或特殊材料的零件，近净成形的阶段可由增材制造承担，而后期的精加工与表面处理，则由传统的减材加工承担。由于在同一台机床上完成所有加工工序，不仅避免了原本在多平台加工时工件的夹持与取放所带来的误差积累，提高制造精度与生产效率，同时也节省了车间空间，降低制造成本。

　　从复合加工技术的原理可以看出，该技术的实质是CAD软件驱动下的三维堆积和机加工过程。因此，一个基本的复合加工系统应该由以下几个部分组成：CNC加工中心、沉积制造部分、送料系统、软件控制系统以及辅助系统。其中涉及到的关键技术主要包括复合加工的集成方式、软硬件平台搭建和复合制造控制系统。

　　随着增材制造的发展以及其局限性的突出，国际上越来越多的学者和研究机构把目光转向基于增减材的复合加工制造。相比于国内，国际上对基于增减材制造的复合加工技术的研究开展的比较早，研究的内容也比较多。但总的来说，该项技术仍然处于研究与探索阶段。

　　目前主要新技术包括：形状沉积制造技术(shape deposition  manufacturing，SDM)、模具形状沉积制造技术(MoldSDM)、控制金属堆积技术(CMB)、基于堆焊的混合加工系统(ArcHLM)、选择性激光熔覆复合加工技术(HSLM)、超声波增材制造(UAM)、HPDM技术等。

SDM

Mold SDM

The principal process steps for the Assembly Mold SDM

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　　国外增减材复合加工设备发展

　　目前增减材复合加工设备的复合制造工艺集成方式包括基于直接能量沉积(DED)的复合加工集成、基于粉末融积(PBD)的增减材复合加工、基于材料喷射成形技术的增减材复合加工、基于冷喷涂的增减材复合加工集成等。

　　成熟设备包括DMG Mori公司的LASERTEC 65 3D复合加工机床、Hamuel Reichenbacher公司的HYBRID HSTM  1500机床、Mazak公司的INTEGREX i-400AM多功能机床、Matsuura公司的Lume xAvence-25机床等。

　　2013年，Sauer&DMG Mori公司开发的Lasertech 65 Hybrid，并在德国举行的欧洲模具展上展出。Lasertech  65  Hybrid实际是一款5轴的数控机床加上2千瓦的二极管激光打印头。打印头通过HSK接口与主轴连接，该设备先通过激光烧结的方式构建零件，然后转向减材工艺。激光烧结采用的是将金属粉末喷入激光束进行融熔沉积的方法。该设备的生成速度为3.5公斤/小时，比激光烧结快20倍。

DMG Mori公司的LASERTEC 65 3D复合加工机床

　　Hamuel Reichenbacher公司的HYBRID HSTM  1500机床(设计重点是用于高价值部件的修复，集成了高速铣削/直接能量熔融(DED)、检测、去毛刺与抛光等辅助工艺。

Hamuel Reichenbacher公司的HYBRID HSTM 1500机床

　　日本松浦-Matsuura的LUMEX  Avance-25金属3D打印机，是世界上首个将金属激光烧结增材制造技术与和高速铣削工艺结合在一起的综合制造设备。GE石油天然气集团在其日本新泻县的刈羽(Kariwa)工厂就采用松浦的这一设备来制造特殊配置的Masoneilan控制阀部件以用于整个能源行业的各种应用。

　　2015年，西班牙的San Sebastián  Tecnalia研究中心、巴斯克大学(UPV-EHU)和机床制造商Ibarmia共同合作，也开发出了一款将3D打印技术与精密加工结合在一起的混合制造设备(见下图)。这款混合型Add+Process最为独特的是它既融合了基于激光的增材制造工艺又同时可以实现大型部件的铣削和翻转。这一自动制造中心可以让用户从无到有地制造大型金属部件或者修复高价的部件，同时也能实现精度很高的精加工。这台机器使用的材料为精细的金属粉末，它能够以每分钟40克的速度处理这些微米级的颗粒，使其按照指定的图案精准地沉积，直到形成固体对象。与传统的制造技术相比它可以节省高达60%的生产时间和材料。

　　除此之外，  Matsuura、Sodick、Hermle、Cincinnati、ELB、Trumpf等西方国家传统机床巨头也都推出了机床加工+增材制造混合型设备。

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　　国内增减材复合加工设备发展

　　五轴联动增减混合加工中心处于技术前沿。目前，国际的机床巨头在推出将3D打印增材制造与铣削加工技术相结合的新型五轴联动加工中心，受到人们的广泛关注。其实我国本土的增减混合五轴加工中心同样功能强大，却鲜为人知。

　　在2016年的第九届中国数控机床展览会中，就有数款复合机床展出，并且产品水平不断提高。例如大连三垒的SVW80C-3D增减材复合五轴加工中心、青海华鼎的XF1200激光增减材五轴复合加工中心、大连光洋的KMC800U五轴铣车复合立式加工中心、鲁南机床的VTC2040铣车复合柔性加工中心等都是国内技术水平较高的增减材复合五轴加工中心。

　　国产增减混合五轴加工中心相对于国际同类装备具有更高的性价比。以大连三垒的SVW80C-3D为例，首先具有较大的行程，X，Y和Z轴分别可达800  mm，800 mm 和600 mm;其次机床精度较高，定位精度可达8μm，重复定位精度为5μm;再者打印工件尺寸较大，可达1000 mm x440  mm;沉积效率达到300cm3/h以上。SVW80C-3D使用光纤激光器，光电转化效率高，维护使用成本低。性能参数高而售价低，SVW80C-3D具有很强的竞争优势。

大连三垒SVW80C-3D加工过程及成品图

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