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淺談 3D 打印（yìn）與（yǔ）切削混合製造工藝的原理與（yǔ）應用

2022-4-22 來源（yuán）：山（shān）東理工大學機械工程學院作者：高（gāo）希坤

1. 引言

3D 打印增（zēng）材製造成形的最大特點是分層製造（zào），從原理上就（jiù）使得采用 3D 打印所製作工件的幾何尺寸精度和（hé）表麵質量比（bǐ）著（zhe）傳統減材製造的工件（jiàn）較差。如（rú）圖（tú） 1（a）所（suǒ）示，可以直觀地看到（dào） 3D打印成（chéng）型（xíng）表麵微觀結（jié）構（gòu）表麵的粗糙度在不同（tóng）的特征上差異較大，如圖 1（b）所示，采用激光或電子束 3D 打印成型的工件，由肉眼可清晰觀察到 3D 打（dǎ）印工（gōng）件的表麵紋路。

目（mù）前，應用 SLM 技術 3D 打印的零件尺寸精度為 20~50μm，表麵粗糙度為 5~50μm。因（yīn）此，由 3D 打印製造的零（líng）件，還需要根據（jù）具體要（yào）求進行整形、切削（磨（mó）削）、拋光或噴丸等後續（xù）處理（lǐ）。如（rú）果僅（jǐn）考慮工件的（de）外形幾何尺寸和外表麵質量，可以將 3D 打印完畢的工件進行數控切削加工，以獲得滿（mǎn）足要求的零件。但是，對於（yú）同時具（jù）有（yǒu）較高精度（dù）要（yào）求內外幾何特（tè）征的零（líng）件，典型的如隨形模具，則以上工藝難以實現。因此，為了同時獲得 3D 打印高效製造的能力與減材製造的高精度，有（yǒu）必要研究與開發各種形式的增減材混合

製造技術。

2. 增減材混合製造原（yuán）理

增減材混合製造的工作原理是將 3D 打印（yìn）技術與數控切削技術相結合，在同一（yī）台機床上實現加法和減法的製造（zào）。增減材混合製造一般采取將3D 打印裝置安裝在數控切削機床（chuáng）上，實現工件的快速 3D 打印，並（bìng）在同一台機（jī）床上進行（háng）數控切削加工，工件（jiàn）表（biǎo）麵（miàn）粗糙度可以達到納米級。增減材混合製造不僅避免了原本在 3D 打印機床與（yǔ）數控切削機床轉（zhuǎn）換時時工件的夾（jiá）持和取（qǔ）放所帶來的定位誤差，提高製造精度與生產效率，而且也節省設備（bèi）的占地麵積，降低（dī）製（zhì）造成本。

考慮到數控銑削加工的靈活性，切削機床多采用數控銑削機床，也有采（cǎi）用（yòng）磨削或（huò）其他類型的（de）機床。

根據具體的工件要求，可以（yǐ）采取少層 3D 打（dǎ）印 + 切削、多層（céng） 3D 打印 + 切削、3D 打印（yìn）完畢（bì）+ 切削等增減材混合製造的方式。其（qí）中，少層或（huò）多層 3D 打印 + 切（qiē）削的方（fāng）式主要用於製造含有複雜內（nèi）外型麵特征的零件，使得 3D 打印完畢之（zhī）後難以切削的工件特征得以精密切削，獲得高尺寸精度和高表麵質量的全工件特征。3D 打印完畢 + 切削等增減材混合製造的方式（shì）適合於沒有複雜（zá）內外型麵特征的零件製造，這一方式與 3D 打印完畢之後再進行切削加工類（lèi）似，但是由於工件不用二次裝夾，有效（xiào）減（jiǎn）少定位誤差，提高製造效率和製造精度。基於目前的技術，從（cóng）生產成本上看，采用少層或多層 3D 打印 + 切削的方式，在機床內反複進行 3D 打印造型與切（qiē）削的複合加工，生產成本最高。采用 3D 打印完畢 + 切削等增減材混合製造的方式，3D 打印造型後在機床內做一（yī）次性切削精加工，生產成本適（shì）中。不具備增減（jiǎn）材混合製造機床條件下，對於精度要求（qiú）一般（bān）的工件，3D 打印造型後，在其他（tā）機床上做切削（xuē）精加工，生產成本最低。應該指出的是，雖然各種製造方式的生產成本差異（yì）較大，但是，從（cóng）製造質（zhì）量（liàng）上看，費用較高（gāo）的製造方式，質量也比較高。

3. 增減材混合製造應用（yòng）

增減材混合製（zhì）造的用（yòng）途非常（cháng）廣，理論上講，3D 打印製造（zào）的應用領域，也就（jiù）是增減材（cái）混合製造的應用領域，隻不過根據不同的 3D 打印方式製作，所采用的（de）具體減材製造的工藝和工裝會是（shì）多種多樣的。采（cǎi）用各種不（bú）同 3D 打印方式製作的零件，均可以采用增減（jiǎn）材混合製造的方式來提高尺寸精度和表麵質量。以 DMG-MORI 公司的增減材混合機床製造為例，如圖 2 所示，可以（yǐ）用作零件修複、零件加工和零件直接（jiē）製造。

帶有隨形冷（lěng）卻水道的模具組件製造是增（zēng）減（jiǎn）材混合製造（zào）的一個重（chóng）要應用（yòng）領域（yù）。冷卻水道在模具中的形狀不是直（zhí）線型，而是隨著注塑製品的外形變化。注塑（sù）模具冷卻的常用辦法是（shì）在模（mó）具內開設冷卻水通道（dào），利用（yòng）循（xún）環流動的（de）冷卻水帶走模具的熱量。傳統（tǒng）的模具組件是采用交叉鑽孔等工（gōng）藝技術（shù）來製造注塑模具的冷卻水路，而（ér）隨形冷卻（què）水路通道是自（zì）由彎曲的，能夠與注（zhù）塑零（líng）件的幾何形狀緊密貼合，使得注（zhù）塑過程中能夠更加快速的帶走（zǒu）熱量，顯著縮短冷卻時間。帶有隨形冷卻水路的模具組件使得注塑模具的（de）循環時間減少 10％至40％，在製造塑（sù）料部件時能夠（gòu）增加（jiā） 30%~50％的產量，大幅度降低注塑（sù）生產的成（chéng）本，同時，由（yóu）於采（cǎi）用了隨形冷卻水道，注塑生產的零件整體質量得以提高，並大幅度減少（shǎo）了翹曲變形。采用傳（chuán）統製造工藝，隨形冷卻水路難以采用和製作，采用 3D 打印技術，則完全沒有技術障礙。

但是，單純采用（yòng） 3D 打印技術並不能夠保證模具的質量（liàng），而且隨形流道在 3D 打印完成（chéng）之後，沒有工藝（yì）可（kě）以采用以有效地進行精密加工，流道的（de）表麵質（zhì）量不（bú）可控，尤其是一些細微直徑尺度的流（liú）道，長時間通冷卻水之後會造成流道的堵塞，有可能會提前使（shǐ）得模具報廢。而采用（yòng）增減材混合製造技術，這一問題迎刃而解，可以獲得具有同樣精度和表麵質量的內表麵（miàn）和外表麵（miàn），完全滿足所需設計要（yào）求。

船舶用（yòng）零部件製造是增減材混合製造的另外一個重要應用領域。由於（yú）船舶（bó）配套零部件（jiàn）批量小（xiǎo），較多的（de）屬於非（fēi）標產品，如（rú）螺旋槳、螺旋銷、箱式熱交換器等，特別適合（hé）增減材混合製造。其中，增減材混合（hé）製造的船用螺（luó）旋槳直徑為（wéi） 1.35m，重（chóng）量為 400kg，材料（liào）為（wéi）鎳鋁青銅合金，這種螺旋槳已經通過了船（chuán）級社認可和批準使用。

根據 3D 打印方式（shì）的（de）不同，增減材混合製造的類型有（yǒu）多種，主要材料有（yǒu）熱塑性塑料（liào）、金屬、石膏、陶瓷等，材（cái）料類型主要有粉（fěn）末和線材，所用造型方式有激光（guāng）、電子束、熱熔等。根據（jù）減材方式的不同（tóng），主要有 3D 打印與車削、銑削、磨削等的增減材混合製造方（fāng）式。

4. 結語

增減材混合製造技術將 3D 打印技術與數（shù）控切（qiē）削技（jì）術（shù）有機的集成在一起，從原理上提高了生產效率、降低了生產成本、拓寬了產品原材料的加工（gōng）範圍，並有利於減少原材料消耗和切削液的使用，有利於環境保護，大力推動著 3D 打印技術在多個領域的實用化發展進程。因此（cǐ），增減（jiǎn）材（cái）混合製造具有廣（guǎng）闊的應用前景，必（bì）將得到越來越廣泛的應用。

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