3D打印和CNC：最佳混合3D打印機(jī)指南

魔猴君  知識(shí)堂   281天前

3D打印和機(jī)械加工通常被視為競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，但它們也可以成為有效的合作伙伴。事實(shí)上，3D打印零件通常會(huì)經(jīng)過(guò)機(jī)械加工，以產(chǎn)生更高的公差和更好的表面光潔度。與此同時(shí)，曾經(jīng)由實(shí)心金屬塊銑削而成的零件通?？梢愿斓?D打印，并且形狀更復(fù)雜。

越來(lái)越多的混合制造機(jī)器將3D打印和CNC機(jī)械整合到一個(gè)整體中，以更好地實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化并加速零件生產(chǎn)。

機(jī)器制造商表示，混合技術(shù)克服了兩種母技術(shù)的缺點(diǎn)，使制造商能夠更快、更低成本地生產(chǎn)更精確、更高質(zhì)量的部件。它比單獨(dú)的機(jī)械加工浪費(fèi)更少，比單獨(dú)的3D打印更高效、更精確，無(wú)需體力勞動(dòng)即可在兩個(gè)不同的設(shè)備之間移動(dòng)零件，無(wú)需編程。

直接能量沉積和數(shù)控銑削的結(jié)合（來(lái)源：DMG MORI）

1、什么是混合CNC-3D打印機(jī)？

工業(yè)機(jī)器制造商Romi與Hybrid Manufacturing Technologies合作

將于2021年提供一系列混合機(jī)器（來(lái)源：Romi）

混合制造是一種相對(duì)較新的方法，將增材制造和減材制造技術(shù)結(jié)合在一臺(tái)機(jī)器上。這些機(jī)器使用3D打印來(lái)生產(chǎn)金屬或塑料零件的基本近凈形狀。然后，另一個(gè)單元或工具頭將零件銑削至所需的公差。因此，制造商（及其客戶）擁有增材制造的復(fù)雜幾何形狀和銑削部件的詳細(xì)表面質(zhì)量。

除了從頭開(kāi)始構(gòu)建零件之外，這些機(jī)器還非常適合向現(xiàn)有零件添加功能、進(jìn)行零件維修以及在加工后處理之前對(duì)零件進(jìn)行涂層。

混合制造機(jī)器操作因制造商而異，但通常分為兩類(lèi)：

順序混合制造機(jī)器首先完成完整的增材制造序列，生產(chǎn)3D打印的近凈形狀零件，然后再進(jìn)行減材工藝。

另一方面，交替混合制造機(jī)器在整個(gè)制造過(guò)程中在增材制造和銑削單元之間進(jìn)行交換。一些交替機(jī)器甚至可以加工部件的一部分，而增材制造單元?jiǎng)t打印另一部分。

這個(gè)3D打印的pison原型首先進(jìn)行3D打印，然后進(jìn)行CNC加工，以獲得光滑的表面光潔度（來(lái)源：Meltio）

從技術(shù)上講，幾乎所有3D打印技術(shù)都可以與CNC機(jī)床結(jié)合使用，并且有一些升級(jí)套件可以轉(zhuǎn)換您現(xiàn)有的加工單元。然而，該技術(shù)仍在發(fā)展中，當(dāng)前的選擇僅限于幾種組合。這些包括：

DED/CNC：定向能量沉積(DED)是一種金屬增材制造技術(shù)，其中材料（線材或粉末）通過(guò)狹窄的噴嘴輸送，并通過(guò)電弧、激光或電子束熔化成型。DED的優(yōu)點(diǎn)是能夠從任何角度輸送材料，從而實(shí)現(xiàn)5軸沉積。這也用于金屬零件修復(fù)。

LPBF/CNC：在激光粉末床熔合(LPBF)中，機(jī)器鋪設(shè)一層薄薄的金屬粉末，用激光熔化該層的形狀，然后重復(fù)該過(guò)程直至零件完成。理論上，LPBF可以生產(chǎn)沒(méi)有支撐結(jié)構(gòu)的零件，因?yàn)橹車(chē)慈刍姆勰┨峁┝吮匾闹巍?/span>

FDM/CNC：與前兩種方法不同，熔融沉積成型(FDM)打印機(jī)將金屬或熱塑性細(xì)絲或顆粒分層熔化并擠出，以創(chuàng)建所需的幾何形狀。這項(xiàng)技術(shù)可以便宜得多，同時(shí)仍然具有良好的強(qiáng)度特性（特別是增強(qiáng)聚合物長(zhǎng)絲），但零件在打印過(guò)程中可能需要支撐結(jié)構(gòu)。

用于CAD和CAM編程的西門(mén)子NX實(shí)現(xiàn)了增材制造的新思維方式（來(lái)源：DMG Mori）

2、CNC-3D打印混合制造機(jī)器的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)

由于鑄造模具的制作，制造復(fù)雜葉輪需要長(zhǎng)達(dá)25周的時(shí)間。DMG Mori的Lasertec 65 DED上的混合制造將這一時(shí)間縮短到不到一周（來(lái)源：DMG Mori）

與純?cè)霾闹圃旎驕p材方法相比，混合制造具有許多優(yōu)勢(shì)。其最顯著的優(yōu)勢(shì)之一是能夠提高生產(chǎn)率。由于增材制造和加工工藝都可以在一臺(tái)機(jī)器上運(yùn)行，因此無(wú)需更換零件和重新校準(zhǔn)設(shè)備。該加工單元還可以部分或完全取代手動(dòng)增材制造后處理，這也加快了生產(chǎn)速度。

與大多數(shù)單獨(dú)的3D打印機(jī)相比，混合制造可以實(shí)現(xiàn)更高的精度和更嚴(yán)格的公差。增材制造可創(chuàng)建比機(jī)械加工更復(fù)雜的幾何形狀和零件結(jié)構(gòu)，例如零件合并、內(nèi)部通道和網(wǎng)格填充壁。在一臺(tái)機(jī)器上生產(chǎn)整個(gè)零件還可以減少出現(xiàn)加工缺陷或錯(cuò)誤的機(jī)會(huì)。因此，混合零件可以表現(xiàn)更好并具有更高的質(zhì)量。

混合機(jī)器使您能夠在單個(gè)零件中使用多種材料，從而顯著提高機(jī)械性能并節(jié)省成本。您可以用更強(qiáng)的金屬覆蓋較弱的零件，添加高性能材料以改善零件的運(yùn)動(dòng)或傳熱，或者僅在需要的地方使用昂貴的材料來(lái)節(jié)省材料成本。

通過(guò)在增材制造和一次裝夾中銑削之間靈活切換，可以以成品質(zhì)量生產(chǎn)部件，并具有內(nèi)部冷卻通道等功能（來(lái)源：DMG Mori）

最近的一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，混合制造消除了減材技術(shù)固有的大部分浪費(fèi)，從而減少了高達(dá)97%的材料消耗。將零件3D打印成近凈形狀意味著工廠車(chē)間最終形成刨花的材料會(huì)減少。使用DED/CNC機(jī)器，還可以僅將材料添加到選定的位置。這使得用戶可以通過(guò)在零件（例如船舶和石油和天然氣行業(yè)使用的組件）中添加金屬來(lái)修復(fù)損壞的組件并加快生產(chǎn)速度。相反，數(shù)控裝置可以在材料沉積運(yùn)行之間加工精細(xì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

最后但并非最不重要的一點(diǎn)是，混合動(dòng)力可以削減前期投資和運(yùn)營(yíng)成本。與其同時(shí)購(gòu)買(mǎi)CNC機(jī)床和工業(yè)3D打印機(jī)，不如購(gòu)買(mǎi)混合機(jī)床可能更便宜。與單獨(dú)的增材制造和數(shù)控設(shè)備相比，單個(gè)混合機(jī)器消耗的能源更少，所需的占地面積也更少。

盡管混合動(dòng)力具有巨大的優(yōu)勢(shì)，但它并不是滿足所有制造需求的完美解決方案。盡管這些機(jī)器可以降低初始投資，但它們并不便宜，而且可能超出了小公司的預(yù)算。操作混合機(jī)器可能很復(fù)雜，需要操作員對(duì)3D打印和CNC加工有深入的了解，以確定制造給定零件的最佳方法。

3、CNC-3D打印混合制造機(jī)器的應(yīng)用

這個(gè)用于航空航天工業(yè)的執(zhí)行器組件是一個(gè)測(cè)試用例，展示了混合機(jī)器如何向現(xiàn)有金屬管添加復(fù)雜的功能（來(lái)源：AMRC）

混合制造適用于許多行業(yè)。任何依賴金屬或熱塑性塑料精確制造零件的應(yīng)用都可以從混合制造技術(shù)中受益。然而，一些特別適合的行業(yè)是：

航空航天：航空航天工業(yè)需要耐熱、堅(jiān)固、輕質(zhì)且公差嚴(yán)格的零件?；旌现圃炜梢杂迷鰪?qiáng)熱塑性塑料和鋁等金屬制造這些部件。

汽車(chē)：汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)和底盤(pán)包含大量復(fù)雜零件。混合制造使汽車(chē)制造商能夠在一臺(tái)機(jī)器上生產(chǎn)這些部件，從而降低材料和勞動(dòng)力成本。

通用工程：最大正常運(yùn)行時(shí)間對(duì)于任何制造業(yè)都至關(guān)重要。通過(guò)混合制造解決方案，可以修復(fù)損壞的機(jī)械部件，從而降低成本并減少庫(kù)存需求。

醫(yī)療：混合制造可以幫助醫(yī)療專(zhuān)業(yè)人員制造完美貼合的定制植入物、假肢和手術(shù)工具。AM組件允許零件定制，而CNC加工則確保理想的零件質(zhì)量。

讓我們看一下混合制造如何幫助制造商的一些詳細(xì)說(shuō)明。

航天

謝菲爾德大學(xué)先進(jìn)制造研究中心(AMRC)的工程師致力于研究和開(kāi)發(fā)推進(jìn)制造技術(shù)的新方法。作為這一目標(biāo)的一部分，他們?cè)O(shè)計(jì)了一種新穎的方法來(lái)制造航空航天工業(yè)的關(guān)鍵執(zhí)行器組件（如上圖所示）。

這些執(zhí)行器傳統(tǒng)上是通過(guò)將實(shí)心金屬棒加工成型來(lái)制造的。使用DED/CNC機(jī)器，AMRC可以將原料部分改為管材。通過(guò)對(duì)增材制造和加工工藝進(jìn)行優(yōu)化排序，研究人員可以將3D打印金屬添加到原料管中。這種方法提高了加工操作的穩(wěn)定性并顯著減少了材料消耗。

“混合制造的使用使得特征加工策略更加簡(jiǎn)單?；旌显囼?yàn)表明，可以實(shí)現(xiàn)相似的周期時(shí)間，同時(shí)將成本降低23%，并將購(gòu)買(mǎi)與運(yùn)行比率從31:1大幅降低至2.5:1?！毙屡d加工技術(shù)技術(shù)研究員Nikolaos Tapoglou解釋道在AMRC。

工程

蘇爾壽是一家瑞士制造商，為石油天然氣和能源行業(yè)生產(chǎn)關(guān)鍵運(yùn)營(yíng)部件，包括泵。葉輪是泵的重要部件，但由于流經(jīng)它們的腐蝕性液體，葉輪會(huì)遭受?chē)?yán)重磨損，需要定期更換。蘇爾壽傳統(tǒng)上使用傳統(tǒng)機(jī)械加工制造葉輪，但其復(fù)雜的幾何形狀導(dǎo)致交貨時(shí)間極長(zhǎng)。

通過(guò)實(shí)施使用西門(mén)子NX混合CAD/CAM軟件操作的DMG Mori Lasertec 65 DED/CNC機(jī)床，蘇爾壽現(xiàn)在可以通過(guò)交替增材制造和加工方法來(lái)構(gòu)建葉輪復(fù)雜的通道結(jié)構(gòu)。該公司已將交貨時(shí)間縮短了25倍，現(xiàn)在可以銑削以前無(wú)法到達(dá)的區(qū)域，生產(chǎn)出具有高表面質(zhì)量的零件，從而提高了效率。此外，混合動(dòng)力機(jī)器使該公司能夠制造比以前更大的部件。

“我們能夠?qū)⒄麄€(gè)交付周期從25周縮短到不到1周，”蘇爾壽制造技術(shù)主管Robin Rettberg說(shuō)道?！拔覀兿Ｍ^續(xù)提高這一領(lǐng)域的產(chǎn)能，因?yàn)樵摷夹g(shù)使我們能夠更靈活地響應(yīng)客戶的要求。”

這些具有合格冷卻通道的模具鑲件經(jīng)過(guò)打印，然后用H13工具鋼進(jìn)行機(jī)械加工，耗時(shí)大約86小時(shí)，但操作員只需要不到一個(gè)小時(shí)的時(shí)間（來(lái)源：Mantle）

醫(yī)療

一家全球醫(yī)療設(shè)備制造商使用工具鋼模具生產(chǎn)高溫塑料原型零件。由于新模具的交付時(shí)間較長(zhǎng)，該公司很難及時(shí)向市場(chǎng)推出新產(chǎn)品。它曾嘗試過(guò)3D打印塑料模具嵌件，但其絕緣性能和表面光潔度限制導(dǎo)致材料限制以及原型和最終零件之間的不準(zhǔn)確性。為了解決這個(gè)問(wèn)題，該公司轉(zhuǎn)向Mantle P-200 HM機(jī)器。

利用P-200，該公司使用P2X工具鋼材料3D打印模具嵌件，并將其加工成最終形狀。這種方法使模具嵌件具有極其嚴(yán)格的（0.001”）公差和光滑的啞光表面，在成型前不需要表面精加工。模具在高達(dá)600°C的成型溫度下表現(xiàn)完美。

混合工藝將新模具的交貨時(shí)間從7周縮短到8天，縮短了80%以上。此外，該醫(yī)療公司的制造成本下降了50%以上。

編譯整理：ALL3DP