增/減材柔性制造及加工系統(tǒng)構(gòu)成形式*

王公海 馮培鋒

(①嘉興南湖學(xué)院機(jī)械與建筑工程系，浙江 嘉興 314001；②集美大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院，福建 廈門361021)

1 增/減材柔性制造工藝及其內(nèi)涵

增/減材柔性制造工藝是利用柔性制造技術(shù)[1-2]將增材制造、數(shù)控加工有機(jī)復(fù)合而成的一種多柔性加工方法。該工藝包含了單一增材制造、多材質(zhì)混合串行增材制造[3]、多沉積頭混合并行增材制造[3]和三軸/五軸數(shù)控切削加工等多種增/減材加工，還可以在這些加工方式之間進(jìn)行混合加工，包括增材制造方式之間的混合沉積加工，以及增材制造與數(shù)控切削加工間的混合增減材加工[4-5]。

2 增/減材柔性制造工藝流程

如圖1所示，增/減材柔性制造整體工藝流程是：首先零件前處理，主要是構(gòu)建三維模型及其數(shù)字化處理，確定加工方式，確定沉積參數(shù)及數(shù)控加工參數(shù)；然后開始材料沉積，在復(fù)雜柔性增/減材混合加工工藝中，材料沉積有多種方式，且可以在不同的沉積工藝中進(jìn)行材料堆積，實(shí)現(xiàn)沉積工藝柔性混合加工；材料沉積工序完成后，還可以送入到材料去除工序中，根據(jù)加工要求，選用不同的材料去除工藝進(jìn)行減材加工。這種沉積工藝之間、材料沉積與材料去除之間多次反復(fù)交互進(jìn)行加工，直至沉積工件柔性增/減材加工完成；最后轉(zhuǎn)沉積盤移到工件/托盤分離工位上，從沉積盤上將成型工件分離，然后集中送入到零件后處理設(shè)備中。

2.1 加工前處理

(1)待加工零件的數(shù)字化建模

三維建?？梢圆捎枚喾N軟件完成，常見的三維數(shù)據(jù)格式有STL、PLY和OBJ等，其中大部分增材制造軟件使用的是STL數(shù)據(jù)格式。但STL格式數(shù)據(jù)用三角形網(wǎng)格來表現(xiàn)三維CAD模型，只能描述三維物體的幾何信息，不支持顏色、材質(zhì)等信息。PLY、OBJ 等雖然能表示模型的色彩信息，但不能表達(dá)材料信息。美國材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)[6]提出了一種多材料增材制造文件格式，即AMF數(shù)據(jù)格式，它是以目前增材制造工藝所使用的“STL”格式為基礎(chǔ)、彌補(bǔ)了其弱點(diǎn)的數(shù)據(jù)格式，新格式能夠記錄顏色信息、材料信息及物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)等。但該文件格式占用存儲(chǔ)空間比價(jià)大。微軟、惠普等7家企業(yè)組成的聯(lián)盟集團(tuán)聯(lián)合開發(fā)了一種新的文件格式，即3MF文件格式[6]，相較于STL格式，它是一種基于XML的數(shù)據(jù)文件格式，3MF數(shù)據(jù)格式能夠更完整地描述3D模型，除了幾何信息外，還可以保持內(nèi)部信息、顏色、材料和紋理等其他特征。幾種數(shù)據(jù)格式比較如表1所示。

表1 增材制造文件數(shù)據(jù)格式對(duì)比

結(jié)合增/減材柔性制造技術(shù)所面向的沉積工藝、沉積材料的多樣性特點(diǎn)，應(yīng)該采用3MF格式的三維模型數(shù)據(jù)文件。目前，新版常見造型軟件，如SolidWorks2017版，都可以輸出該種格式的數(shù)據(jù)文件。后續(xù)針對(duì)復(fù)雜增/減材混合制造工藝編制的分層及控制軟件也應(yīng)該基于該種文件格式開發(fā)。

(2)待加工零件的復(fù)雜柔性增減材工序間轉(zhuǎn)換

由于增/減材柔性制造需要在增材與增材之間，以及增材與減材之間來回切換，如果按照快速成型傳統(tǒng)的平面分層，由于分層過多，導(dǎo)致來回切換次數(shù)過多，嚴(yán)重影響增/減材混合加工的效率,沒有應(yīng)用價(jià)值。所以只能采用多次堆積,形成一定厚度且具有一定幾何形狀層后再進(jìn)行減材加工或另一材料的沉積加工，來減少沉積工件在各工位上的交換次數(shù)，進(jìn)而提高沉積效率。而按照零件幾何形狀進(jìn)行工序切換，在沉積過程中，由于工件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分為幾個(gè)部分進(jìn)行材料沉積，但這會(huì)由于層厚過厚而造成一次沉積的材料過多，使沉積后的材料冷卻時(shí)間延長，使材料的內(nèi)部殘留應(yīng)力增加，從而影響成形零件的性能。因此，在按照幾何形狀進(jìn)行工序間交換的基礎(chǔ)上，還需要考慮沉積材料的性能特點(diǎn)以及減材加工的可加工性，綜合這些問題后，復(fù)雜柔性增減材的工序間轉(zhuǎn)換應(yīng)該是上述兩種交換方法的有機(jī)結(jié)合。

基于增/減材柔性制造工藝對(duì)于零件增減材工序間轉(zhuǎn)換的特殊要求，在柔性增減材工序間的轉(zhuǎn)換時(shí)機(jī)上需要考慮更多的因素。因此柔性增減材工序間的轉(zhuǎn)換方法還有待深入研究。

2.2 增/減材柔性制造的材料沉積

(1)沉積方式及沉積材料

由于增/減材柔性制造中沉積工件需要在各設(shè)備之間來回穿梭，因此并不是所有的增材制造工藝及其沉積材料都可以成為增/減材柔性制造的沉積工藝，適合增/減材柔性制造工藝的沉積工藝要具備這些條件：

①沉積材料的材質(zhì)、形狀在輸出端應(yīng)該能呈一種線狀形式輸出，便于集成為1個(gè)沉積頭。因此對(duì)于液體材質(zhì)而言，材料形狀應(yīng)該是液滴型，粉末形狀應(yīng)該采用同軸送粉方式。

②沉積工藝所采用的能量輸出端體積要小，與沉積材料一起能夠集成1個(gè)小體積的沉積頭，以便能通過機(jī)械手快速更換沉積頭，實(shí)現(xiàn)多種沉積工藝間的轉(zhuǎn)換。

③沉積工藝的配套環(huán)境要簡單。如增材制造中的電子束焊因?yàn)樾枰獎(jiǎng)?chuàng)造一個(gè)真空環(huán)境才能進(jìn)行沉積，配套要求高。因此，這種沉積方式不適合集成到增/減材柔性制造系統(tǒng)中。

根據(jù)上述要求，現(xiàn)有比較適合增/減材柔性制造的沉積方式及沉積材料類型如表2所示。

表2 當(dāng)前適合柔性增/減材混合加工的材料及沉積能源方式

(2)多種柔性沉積

增/減材柔性制造工藝中的材料沉積采用柔性、模塊化集成方式來構(gòu)造多種沉積頭，實(shí)現(xiàn)多種柔性沉積[3]。依據(jù)增/減材柔性制造工藝中材料沉積方式的集成要求，結(jié)合現(xiàn)有成熟的沉積方式，可以構(gòu)造出多種沉積方式。

以激光能源沉積粉末類材料為例來說明增/減材柔性制造中各種柔性沉積工藝的構(gòu)成方式，因其他能源及材質(zhì)的沉積組合方式與之相似，在此不再重復(fù)。

①單一材質(zhì)單一噴頭沉積

沉積系統(tǒng)中，1種能量噴頭搭配1種材質(zhì)的材料噴頭組合而成1個(gè)基本的沉積頭，實(shí)現(xiàn)單一材質(zhì)的沉積。同種材質(zhì)可以對(duì)應(yīng)多個(gè)同能量級(jí)的能量噴頭以及多個(gè)結(jié)構(gòu)相同的材料噴頭。這些基本的沉積頭是進(jìn)行混合材料沉積的基礎(chǔ)。單一材質(zhì)的沉積頭可以進(jìn)行常規(guī)單一材質(zhì)的材料沉積，也可以與其他噴頭一起進(jìn)行混合沉積。

②多材質(zhì)單能量噴頭柔性沉積

沉積系統(tǒng)中，1種能量噴頭搭配多種材質(zhì)的材料噴頭組合而成1個(gè)混材的沉積頭，實(shí)現(xiàn)多材質(zhì)單能量頭的混合沉積工藝。

③多材質(zhì)多沉積頭柔性串行混合沉積

沉積系統(tǒng)中，多種不同材質(zhì)的單一沉積頭在多個(gè)機(jī)械手的控制下按照順序進(jìn)行沉積，組成多材質(zhì)多沉積頭串行混合沉積工藝。該沉積方式也適合進(jìn)行多材料的混合打印，以及帶有支撐結(jié)構(gòu)的零件沉積。

④單一材質(zhì)多沉積頭柔性并行混合沉積

沉積系統(tǒng)中，同一材質(zhì)的多個(gè)沉積頭(在多個(gè)機(jī)械手的控制下同時(shí)進(jìn)行零件沉積，組成單一材質(zhì)多沉積頭并行混合沉積工藝。該沉積方式適合加工大尺寸零件，可以提高效率。

柔性復(fù)雜增/減材混合加工中的單一沉積頭在機(jī)械手的控制下實(shí)現(xiàn)沉積作業(yè)，與不同種類的沉積盤以及不同尺寸多角度擺動(dòng)轉(zhuǎn)接臺(tái)組合，依據(jù)沉積工件幾何結(jié)構(gòu)的不同，可以構(gòu)造出多種沉積方式。

根據(jù)沉積工件因?yàn)閹缀涡螤畹膹?fù)雜性不同，以及加工時(shí)沉積頭需要移動(dòng)的自由度數(shù)的不同，可以分成3種加工方式，即一般結(jié)構(gòu)件沉積、復(fù)雜結(jié)構(gòu)件沉積和一般/復(fù)雜結(jié)構(gòu)件沉積。全一般結(jié)構(gòu)的工件沉積方式是采用1個(gè)單元沉積頭、1個(gè)多自由度沉積頭移動(dòng)機(jī)械手及相應(yīng)數(shù)控程序，搭配1個(gè)相應(yīng)規(guī)格的沉積盤構(gòu)成。全復(fù)雜結(jié)構(gòu)的工件沉積方式是采用1個(gè)單元沉積頭、1個(gè)多自由度沉積頭移動(dòng)機(jī)械手及相應(yīng)數(shù)控程序，搭配1個(gè)相應(yīng)規(guī)格的沉積盤及相應(yīng)尺寸規(guī)格的多角度擺動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)構(gòu)成。一般/復(fù)雜結(jié)構(gòu)的工件沉積方式是在1次沉積加工過程中，既有一般結(jié)構(gòu)件的沉積加工也有復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的沉積加工。

2.3 柔性增減材混合加工

柔性增減材混合加工是在材料沉積、材料去除兩個(gè)工序中反復(fù)迭代，實(shí)現(xiàn)工件增減材制造的一種加工方式。依據(jù)沉積工件幾何結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，柔性采用不同的沉積方式，不同型號(hào)、不同移動(dòng)自由度的切削刀具，以及相應(yīng)的數(shù)控程序，將增減材混合加工分成一結(jié)構(gòu)件的柔性增減材混合加工，復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的柔性增減材混合加工，以及一般/復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的柔性增減材混合加工。一般結(jié)構(gòu)件的柔性增減材混合加工，是采用一般結(jié)構(gòu)件的材料沉積工藝、三自由度移動(dòng)的切削刀具及相應(yīng)數(shù)控程序組合而成。復(fù)雜構(gòu)件的柔性增減材混合加工是采用一般結(jié)構(gòu)件的材料沉積工藝、四自由度移動(dòng)的切削刀具及相應(yīng)數(shù)控程序組合而成。一般/復(fù)雜構(gòu)件的柔性增減材混合加工在一次增減材加工過程中，既有一般結(jié)構(gòu)件的增減材加工，也有復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的增減材加工。

2.4 零件后處理

由于增/減材柔性制造工藝中，材料種類多，因此零件后處理工藝眾多，在此環(huán)節(jié)，只討論增/減材柔性制造工藝密切相關(guān)的沉積盤與工件分離工藝。

在大多數(shù)增材制造及增減材混合制造中，沉積工件與設(shè)備工作臺(tái)的分離沒有得到重視，還是依靠暴力拆卸方式，這很容易損壞工件及工作臺(tái)。針對(duì)增/減材柔性制造工藝，由于沉積方式多樣，多零件同時(shí)加工，因此原有的這種依靠人力拆卸的方式已經(jīng)不適用，需要開發(fā)新的、自動(dòng)化的工件/工作臺(tái)分離工藝。

在增/減材柔性制造系統(tǒng)中，對(duì)于金屬材料而言，材料與沉積盤的吸附緊密，通常采用暴力分離，容易損壞工件。因此應(yīng)該采用一些新的工件與沉積盤分離裝置，比如針對(duì)導(dǎo)電的金屬材料采用臥式線切割工藝，可同時(shí)切割多個(gè)零件，效率高、不損壞工件。對(duì)于塑料材料，材料與沉積盤的結(jié)合不很緊密，只需較小的外力即可讓工件與沉積盤分離，因此仍可以采用機(jī)械式分離方法。

3 增/減材柔性制造系統(tǒng)構(gòu)成形式

3.1 增/減材柔性制造系統(tǒng)加工設(shè)備構(gòu)成

基于增/減材柔性制造工藝，進(jìn)一步的分析，可得到如圖2所示的增/減材柔性制造系統(tǒng)組成設(shè)備及相互關(guān)系圖。

增/減材柔性制造系統(tǒng)的制造設(shè)備主要由以下各部分構(gòu)成[7-9]：

①材料儲(chǔ)存及輸送設(shè)備。依照增/減材柔性制造工藝所采用的4種形狀材料及1種輔助沉積材料，每種形狀的材料又對(duì)應(yīng)多種材質(zhì)，每種材質(zhì)對(duì)應(yīng)1個(gè)儲(chǔ)存裝置，不同形狀材料，其儲(chǔ)存裝置形式不同。根據(jù)沉積工藝的發(fā)展，其儲(chǔ)存裝置可以進(jìn)一步的添加。

輸送設(shè)備的作用是儲(chǔ)存裝置中的材料送至對(duì)應(yīng)的材料噴頭上，1種材質(zhì)對(duì)應(yīng)1個(gè)或多個(gè)材料噴頭。粉末類、液體類、氣體類和顆粒類材料可以采用泵送，絲材采用機(jī)械式推送。

②材料沉積設(shè)備。材料沉積設(shè)備由沉積頭、沉積盤、多角度擺動(dòng)轉(zhuǎn)接頭、夾具庫、多自由度機(jī)械手及其導(dǎo)軌構(gòu)成。其中沉積頭由材料噴頭與能量噴頭組合而成，機(jī)械手通過使用夾具庫中的各種夾具頭來執(zhí)行各種動(dòng)作，如沉積頭的組裝，驅(qū)動(dòng)沉積頭進(jìn)行沉積作業(yè)，執(zhí)行沉積盤、多角度擺動(dòng)轉(zhuǎn)接臺(tái)的取放等動(dòng)作。

③材料去除設(shè)備。材料去除設(shè)備采用多自由的數(shù)控銑削來進(jìn)行材料去除，根據(jù)材料的不同可以三軸材料去除，或者四軸材料去除。

④沉積工件存放及與沉積盤分離設(shè)備。在系統(tǒng)中設(shè)置沉積工件存放架，沉積工件通過機(jī)械手將沉積工件連同沉積盤一起放置在存放架上。通過單獨(dú)的沉積工件/沉積盤分離設(shè)備，將沉積工件與沉積盤分離。

3.2 增/減材柔性制造系統(tǒng)加工設(shè)備布局形式

增/減材柔性制造系統(tǒng)的設(shè)備組成與布局如圖3所示，該制造系統(tǒng)采用龍門式布局，將材料去除設(shè)備布置在橫梁上，可沿橫梁移動(dòng)，橫梁可以沿著Y向移動(dòng)。材料去除設(shè)備的切削刀具可以做Z向移動(dòng)及B向轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)多自由度去除材料。柔性材料沉積部分由沉積設(shè)備本體、沉積頭庫、沉積盤庫、材料庫、多自由度機(jī)械手及U型導(dǎo)軌構(gòu)成。多自由度機(jī)械手帶動(dòng)沉積頭移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)沉積作業(yè)。多個(gè)多自由度機(jī)械手在U型導(dǎo)軌上移動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)并行沉積及多材沉積。工作臺(tái)可以做Z向移動(dòng)，便于材料沉積及材料去除。

4 結(jié)語

增/減材柔性制造工藝及其加工系統(tǒng)是在增減材制造工藝的基礎(chǔ)上引入柔性制造的思想，將沉積頭接口標(biāo)準(zhǔn)化，沉積頭集成化、小型化，利用多自由度機(jī)械手，讓單一沉積方式走向多沉積頭并行沉積及多材沉積，從而實(shí)現(xiàn)沉積方式的多樣化、柔性化，進(jìn)而擴(kuò)大增材制造的加工范圍。通過集成多自由度材料去除裝置，以滿足不同結(jié)構(gòu)復(fù)雜度的沉積工件的材料去除，進(jìn)一步提高增材制造的效率與精度。