迄今為止,增材制造和減材制造(如傳統(tǒng)的車、刨、銑、磨等)看起來(lái)好像是完全對(duì)立的兩面。那么,發(fā)展增材制造(3D打?。┦欠窬蛻?yīng)當(dāng)完全排除減材制造工藝呢,我們可以從下面2個(gè)問(wèn)題中看出:①增材制造的缺點(diǎn)如表面粗糙度差、難獲得高尺寸精度、加工效率低等能不能通過(guò)持續(xù)改進(jìn)增材制造工藝克服?②增材制造真的是在每個(gè)方面都超越了減材制造嗎?
眾所周知,與傳統(tǒng)的去除式機(jī)加工工藝生產(chǎn)的零件相比,采用增材制造工藝制造的零件在精度方面還有很大的差距。由于采用逐層堆積的成型原理,無(wú)論層片設(shè)置的多薄,增材制造工藝都無(wú)可避免地存在“臺(tái)階效應(yīng)”,從而產(chǎn)生制造誤差;對(duì)于不同的具體成型工藝,又因所采用的物理、化學(xué)原理導(dǎo)致不同的成型誤差,如對(duì)激光選區(qū)熔化成型,粉末黏附導(dǎo)致的表面粗糙是一定會(huì)發(fā)生的,對(duì)激光選區(qū)沉積制造工藝,熱變形誤差也是必然存在的。
在增材制造中,成型效率與成型精度是相互矛盾的,提高成型精度,往往意味著采用更小聚焦光斑或噴嘴,更薄的層厚,結(jié)果導(dǎo)致成型時(shí)間大幅增加;而提高成型效率,則會(huì)導(dǎo)致更糟糕的成型精度。因此,僅從增材方面考慮同步實(shí)現(xiàn)高效及高精度成型幾乎是不可能實(shí)現(xiàn)的事情。
不可否認(rèn),減材制造經(jīng)過(guò)自工業(yè)革命以來(lái)數(shù)百年的發(fā)展,在機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、自動(dòng)控制、智能檢測(cè)、設(shè)備等方面積累了十分成熟的經(jīng)驗(yàn);以觀增材制造技術(shù),其發(fā)展歷史數(shù)十年,目前由于成本、效率、精度、材質(zhì)、力學(xué)性能等方面還難以全面戰(zhàn)勝傳統(tǒng)減材制造工藝,因此,目前多數(shù)3D打印工藝還是處于“看上去很美”的景況。因此,目前盡管增材制造技術(shù)發(fā)展很快,但在工業(yè)領(lǐng)域,在很長(zhǎng)一段時(shí)間難仍取傳統(tǒng)的數(shù)控減材制造工藝及設(shè)備。要進(jìn)一步發(fā)展增材制造,必須有效吸收減材制造工藝成熟的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。
事實(shí)上,很早以前,就已有研究者考慮到將增材過(guò)程與減材過(guò)程相結(jié)合,形成增材/減材復(fù)合成型方法,其中典型的工藝是分層實(shí)體制造(laminated object manufacturing,LOM)工藝。LOM工藝采用薄片材料,如紙、塑料薄膜等。片材表面事先涂覆上一層熱熔膠。加工時(shí),熱壓輥熱壓片材,使之與下面已成形的層片粘接;用CO2激光器在剛粘接的新層上切割出零件截面輪廓和零件外框,并在截面輪廓和外框之間多余的區(qū)域內(nèi)切割出上下對(duì)齊的網(wǎng)格;激光切割完成后,工作臺(tái)帶動(dòng)已成型的零件下降,與帶狀片材(料帶)分離;供料機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)收料軸和供料軸,帶動(dòng)料帶移動(dòng),使新層移到加工區(qū)域;工作臺(tái)上升到加工平面;熱壓輥熱壓,零件的層數(shù)增加一層,高度增加一個(gè)料厚;再在新層上切割截面輪廓。如此反復(fù)直至零件的所有截面粘接,切割完,得到分層制造的實(shí)體零件。LOM工藝只需在片材切割出零件截面的輪廓,而不用掃描整個(gè)截面。因此成型厚壁零件的速度較快,易于制造大型零件。零件的精度較高。但由于LOM工藝材料僅限于紙及塑料,性能難以提高,一般不能用于功能性零件直接制造。
為克服現(xiàn)有增材制造技術(shù)的固有缺點(diǎn),真正實(shí)現(xiàn)零件的直接制造,研究人員目前又開(kāi)發(fā)了多種增材/減材復(fù)合制造工藝,典型的可用于3D打印直接制造的增材/減材復(fù)合成型工藝包括:激光選區(qū)熔化(SLM)+銑、激光熔化沉積制造+銑兩種。
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