中科煜宸携手西门子推动增材制造工业化应用

作者：史建军 （南京中科煜宸激光技术有限公司 技术总监）董海林 （西门子数字化工业软件增材制造产品经理）

作为近年来新概念的制造技术，增材制造技术的出现突破了传统的铸造、锻造、焊接等技术的瓶颈问题，实现了复杂零件及大型结构件的整体成形。然而，由于增材制造后的精度不足，严重地制约了增材制造技术的快速发展及大规模应用，目前增减材复合制造技术是解决这一问题的理想方法之一。

增减材复合制造技术是一种在增材制造技术前提下，对传统数控机床的二次开发技术，结合减材制造成形尺寸精度高和表面质量好的优势，弥补增材制造工艺精度低的新型复合加工方法，运用逐层堆叠的增材制造以及适时的切削加工，保障零件成形过程中的尺寸精度和表面质量，实现零件在同一台数控机床上完成“增材-减材”的连续复合加工过程。

△图1增减材复合制造工艺特点

增减材的复合加工技术发展方向由于融合了增材制造和减材制造技术优势，该技术能快速制备出不同材料的高精度、高质量的复杂形状零件，缩短制造周期，节省材料，降低成本，增强产品竞争优势，特别有利干复杂形状、多品种、小批量零件的生产，以及通过激光修复实现循环经济提升，因此具有广阔的应用前景。

解决方案
南京中科煜宸激光技术有限公司开发了一款五轴联动增减材复合制造机床，具有增材、减材功能的高端复合加工能力，它既保持了传统五轴加工中的机加功能，同时也具有增材制造的功能，整体系统由减材系统和增材系统两部分组成。减材系统的主体为立式五轴加工中心(3直线轴+AC摇篮工作台)，配置五轴控制系统。使用西门子NX™软件的多轴增材模块和5轴加工模块，高效、准确地进行加工轨迹规划和虚拟加工验证，并快速得到加工代码，实现增减材一体加工。

△图2中科煜宸五轴联动增减材复合制造机床

实施效果
基于西门子NX软件平台中的Multi Axis Deposition(定向能量沉积增材制造)路径规划模块和减材加工路径规划模块，中科煜宸已实现了机床三轴、机床五轴四联动、机床五轴五联动等多种增减材制造装备结构的运动配置，完成西门子828D、840D数控系统，机器人控制系统等的后处理器开发配置，可直接输出装备运动数控程序。在此基础上，中科煜宸形成了“装备结构+数控系统”自由组合的数字化增减材制造装备模型库。借助于该模型库，用户在软件端即可实现对中科煜宸增减材装备标准机型的全方位虚拟操作使用，优化零件打印路径规划策略，检查设备运动过程中的干涉碰撞情况;同时又可根据待打印零件的几何特征情况，提出更加明确的非标类增减材制造装备硬件指标。

企业背景介绍
南京中科煜宸激光技术有限公司(下称“中科煜宸”)自2013年成立以来，始终致力于事激光增材制造装备(3D打印、表面技术)、核心器件的研发与制造。立足于引领并不断满足市场需求的开发理念，中科煜宸于2019年2月正式启动了“高效高精度万瓦激光增减材复合制造装备及核心技术研发"项目，已实现增减材装备核心器件自主结构设计、增减材制造高效路径规划技术、增减材制造工艺数据库软件及全流程状态监测系统等功能模块单元的研发，形成专用增减材智能化软件3套，申请相关专利8件，软著11项。基于以上核心技术，中科煜宸已研发五轴联动增减材复合制造装备、柔性机器人增减材复合制造装备等系列化装备。

企业亟待解决的业务问题
南京中科煜宸激光技术有限公司需要研发高端的混合加工设备，将增材制造和减材加工结合起来，但混合加工的加工路径规划和加工代码生成面临着挑战。

从原始产品数模到轨迹规划，再到输出可用的运动代码，常规方法要经过繁琐的流程。如果要人工判断如何组合增材和减材，那工作量会非常庞大，并且容易出错，准备的周期会相当长，这就无法满足轨迹规划和加工验证的快速迭代，也会给客户使用体验带来负面影响。

另外不管是外部还是内部提供的产品模型，尤其是STL这种小平面模型，在使用之前还需要进行检查、修复，可能还需要进行修改，常规的软件无法处理这种操作。

企业应用实践与探索
解决方案实际应用情况与探索:
南京中科煜宸激光技术有限公司采用西门子NX多轴增材模块和5轴加工模块，加速完成了增减材一体复合加工的高端装备。使用NX可以方便快速地进行增材和减材的轨迹规划，虚拟打印和机加仿真。

图3基于NX软件的五轴联动增减材制造路径规划

(a) 铝合金框梁

(b)镍合金+铜合金燃烧室

(d) 不锈钢法兰

△图4中科煜宸典型零件的增减材制造

实施成效
设备交付客户后，通过使用西门子NX多轴增材和5轴加工模块，客户可以直接处理加工部件的STL文件，进行检查、修复，甚至修改。通常需要几天的工作量才能完成的增材和减材混合加工的轨迹规划和后处理程序编写现在只要几十分钟，即可完成全部流程。

针对生成的轨迹可以进行轨迹级、代码级、设备级的仿真。确保最终输入设备的代码是可用并且不会对车间和操作人员造成风险。

西门子NX多轴增材不仅仅只是支持激光送粉DED，还支持电弧送丝、材料挤出、冷喷等多个3D打印工艺，支持无缝扩展加工工艺。

“西门子NX软件的多轴增材和减材模块功能非常强大，对5轴和机器人均具有非常好的适应性。NX软件不仅可以快速完成轨迹规划与运动仿真，还支持对STL文件的编辑，良好地满足了我们对复杂构件增减材复合加工的路径规划需求。"

——史建军博士    南京中科煜宸激光技术有限公司技术总监

未来合作展望
史建军博士表示:“通过此次合作，我们和西门子确立一个良好的开始和互动，面向多样化的增材制造技术，西门子能够提供丰富的增材方案，我们期待能够与西门子携手解决未来增材制造过程中更具挑战的高端装备研发技术难题。”

董海林表示:“我们很荣幸能和中科煜宸这样的高新技术企业合作，对中国高端装备研发和制造起到一份力量。我们同样期待和中科煜宸开展增材设计、打印仿真和金属粉末床熔融工艺等等的更多合作。"