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基于增减材制造的复合加工技术解析

时间:2017-05-06 15:34 来源:南极熊 作者:中国3D打印网 阅读:

增材制造3D打印)与减材制造两种技术相结合目前可以说是越来越流行了,因为这样可以同时得到二者的优点。所以迄今为止,这样的混合加工设备已经出现了不少。接下来小编就为大家解析基于增减材制造的复合加工技术。

与传统的减材制造相比,增材制造其具有以下优点: 

1.可迅速制造出自由曲面和更为复杂形态的零件,如零件中的凹槽、凸肩和复杂的内流道等。 

2.材料利用率高,尤其是对昂贵的稀有材料来说,可大大降低成本。 

3.高度自动化,人工干预小。

4.加工效率高,尤其对难加工材料,能快速制作出产品实体模型及模具。 

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RP技术的研究源于上个世纪80年代中期。早期的RP技术主要应用于进行结构、装配、产品功能验证与测试,使用的材料仅局限于塑料、纸品、聚合物等。比如SLA(光固化立体成形)、SLS(选择性激光烧结)、FDM(融化沉积制造)、LOM(薄片层叠制造)等等已经广泛商业化的技术。随着技术的发展,RP技术的研究越来越集中于功能性产品的直接成形,使用材料为金属、陶瓷、合金以及各种功能性复合材料,这些技术包括Lasercladding(激光熔覆)、3WEelding(三维堆焊)、LENZ(激光近成形制造)、DMD(金属直接沉积制造)、SLM(选择性激光融化)、PDM(等离子熔积制造)、EBM(电子束熔融制造)等。

但是几乎所有的RP技术,几何尺寸精度和表面光洁度都不太理想,需要进行后处理,包括热处理、机加工(铣削、钻削)和抛光加工。这是由于其本身离散化过程中大都采用STL格式和二维的分层技术,从而造成尺寸的误差和阶梯效应。一般来说,分层厚度越小精度越高,但同样所需的时间也越长,从而增加了成本。而传统的机加工尤其是数控加工具有高精度、高效率、加工柔性好、工艺规划简单等特点,正好能够 弥补上述RP技术的缺点。因此,将增材制造(RP)和 减材制造(CNC)有效的结合,产生一种新的复合加工技术,具有广阔的应用前景。图1所示为增减材制造特征结合的技术优势。 

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1 基于增减材制造的复合加工技术原理及特点 

基于增减材制造的复合加工技术是从面向制造的产品设计阶段、软件控制设计阶段以及加工阶段将增材制造和减材制造相结合的一种新的技术。该技术是一种添加/去除材料的过程,以“离散-堆积-控制”的成型原理为基础,如图2所示。首先在计算机中生成最终功能零件的三维CAD模型;然后将该模型按一定的厚度分层切片,即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扫描路径数控代码,成型系统按照轮廓轨迹逐层扫描堆积材料和加工控制(对轮廓或表面进行机加工);最终成型三维实体零件。

从复合加工技术的原理可以看出,该技术与RP技术的基本思路是一致的,其实质就是CAD软件驱动下的三维堆积和机加工过程。由于采用机加工控制来消除台阶效应,并保证精度,因此在沉积过程中可以采取大喷头和大厚度等低分辨率的沉积来提高加工速度。一个基本的复合加工快速成型系统应该由以下几个部分组成:3或5轴CNC立式加工中心(由于大部分RP系统都是立式结构,所以该加工中心也应该是立式结构),沉积制造部分,送料系统,软件控制系统,辅助系统。 

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2 基于增减材制造的复合加工技术研究分析 

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。

2.1形状沉积制造技术(SDM) 

形状沉积制造技术最早由美国斯坦福大学研究发展,他们将去 除法和添加法结合在一起,形成自己的SDM技术, 所用材料分为成形材料和支撑材料,包括不锈钢、钛 合金、铝合金、铜合金等,所成形的零件具有很高的 精度。基本过程如图3所示,每沉积完一层材料,用数控加工的方法(3或5轴加工中心)将该层零件 或支撑材料加工成形到零件的表面外形后继续下一 层的沉积,最后去除支撑材料。 

SDM添加材料的过程根据零件的材料可采用不 同的方法,其几何分层方法可以采用三维的具有任 意厚度且不一定是平面的几何分层,如图4所示。 因此零件精度与分层的厚度无关,可以采用大厚度 分层来提高零件的制造速度,并可消除常规的快速 原型制造方法制造的带有倾斜表面的零件中常见的 台阶效应,得到光滑的零件表面。Jorge等人研究了SDM技术在仿生机器人中的应用,并制备了具有功 能梯度和嵌入结构的组件,如图5所示。 

 

(责任编辑:admin)

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