3D打印和CNC:混合制造的优劣势、应用、供应商

国内
2022
11/24
21:49
分享
评论
本帖最后由 可可小熊 于 2022-11-24 21:52 编辑

导读:3D打印和机械加工通常被视为"竞争对手",但它们也可以是"合作伙伴"。3D打印部件通常需要经过机加工以产生更高的公差和更好的表面光洁度。同时,曾经由一块实心金属块铣削而成的零件可以用3D打印技术更快的进行制造,并且形状更加复杂。越来越多的混合制造机器将3D打印和 CNC 机械整合到一个包中,以更好地自动化和加速零件生产。那么它们的发展如何?混合制造的前景如何?

微信图片_20221124213732.jpg

混合制造设备制造商表示,混合技术克服了两种技术的缺点,使制造商能够以更低的成本更快地生产出更精确、质量更高的部件。它比单独加工更少浪费,比单独 3D打印更高效、更精确,无需人工移动零件,无也需对两台不同的设备进行编程。

微信图片_20221124213735.jpg
△直接能量沉积和 CNC 铣削的结合(来源:DMG MORI)

了解什么是混合制造机器,这些机器的优势是什么,有助于进一步对混合制造进行探索和研究,如果你也感兴趣,就和南极熊一起看下去吧!

什么是混合式 CNC-3D 打印机?

微信图片_20221124213741.jpg
△工业机器制造商 Romi 与 Hybrid Manufacturing Technologies 合作,在 2021 年提供一系列混合机器(来源:Romi)

混合制造是一种相对较新的方法,它是将增材制造和减材制造技术结合在一台机器上。这些机器使用3D打印来生产金属或塑料零件的近净形状。然后,通过机器中的另一个单元或工具头将零件铣削到所需的公差。经过混合制造,制造商(及其客户)可以获得增材制造生产出的复杂几何形状和铣削加工的表面质量。除了从头开始构建零件外,这些机器还非常适合为现有零件添加新的功能、进行零件维修以及在加工后工序之前为零件涂上涂层。

混合制造机器因制造商而异,但通常分为两类:顺序混合制造&交替混合制造

顺序混合制造机器首先完成完整的 AM 加工,即进入减材过程之前生产3D打印的近净形状部件。

交替混合制造机器在整个制造过程中会在AM和铣削单元之间交换。一些交替混合机器甚至可以在机加工部件的同时用AM打印其余部分。

微信图片_20221124213746.jpg
△先是 3D 打印,然后 CNC 加工以获得光滑的表面光洁度(来源:Meltio

从技术上讲,几乎任何 3D 打印技术都可以与 CNC 机器相结合,然而,该技术仍在发展,目前的选择仅限于几种组合。这些包括:

DED/CNC:定向能量沉积 (DED) 是一种金属增材制造技术,材料(金属丝或粉末)通过狭窄的喷嘴送入,并通过电弧、激光或电子束熔化成型。DED 的优点是能够从任何角度进给材料,从而实现5轴沉积。

LPBF/CNC:在激光粉末床熔化 (LPBF) 中,机器放置一层薄薄的金属粉末,用激光熔化该层的形状,然后重复该过程,直到零件完成。LPBF 理论上可以生产没有支撑结构的部件,因为周围未熔合的粉末提供了必要的支撑。

FDM/CNC:与前两种方法不同,熔融沉积建模 (FDM) 打印机熔化并逐层挤出金属或热塑性长丝或颗粒,以创建所需的几何形状。这种技术十分经济,同时仍然具有良好的强度(特别是增强聚合物长丝),但部件在打印过程中可能需要支撑结构。

微信图片_20221124213749.jpg
△用于 CAD 和 CAM 编程的西门子 NX 为增材制造提供了新的解决方案(来源:DMG Mori)

混合制造是一种可行的解决方案,除了修复现有部件外,还可以生产原型和具有功能性的最终用途部件。混合制造对于需要增材制造和机加工能力的小型公司特别有吸引力。这些机器可以让他们生产两种(或混合)零件,而无需投资购买两台机器。它还可以解决某些行业的严苛要求,例如汽车航空航天中的零件复杂性和生产率。

混合制造机器的优缺点

微信图片_20221124213752.jpg
△由于需要生产铸模,制造复杂的叶轮需要长达 25 周的时间。DMG Mori 在 Lasertec 65 DED 上的混合制造将时间缩短到不到一周(来源:DMG Mori)

与纯 AM 或减材方法相比,混合制造具有许多优势:
●它最重要的优势之一是能够提高生产率。由于 AM 和加工过程都在一台机器上运行,因此无需更换零件和重新校准设备。加工单元还可以部分或完全替代手动 AM 后处理,这也加快了生产速度。

●与大多数单独的3D打印机相比,混合制造可以实现更高的精度和更严格的公差。增材制造可以创建比机加工更复杂的几何形状和零件结构,例如零件整合、内部通道和格子填充。在一台机器上生产整个零件也减少了加工缺陷或错误的可能性。

●混合机器能够在单个零件中使用多种材料,从而显着提高机械性能和节约成本。可以用强度更高的金属包覆较弱的零件,添加高性能材料以改善零件运动或热传递,或者通过仅在需要的地方使用昂贵的材料来节省材料成本。

●混合制造可以减少前期投资和运行成本。与同时购买 CNC 机器和工业 3D 打印机相比,直接购买一台混合机器更便宜。与单独的 AM 和 CNC 单元相比,单个混合机器消耗的能源更少,需要的占地面积也更少。

微信图片_20221124213755.jpg
△灵活地在增材制造和铣削之间切换,获得具有内部冷却通道等功能的部件(来源:DMG Mori)

最近的一项研究发现, 混合制造消除了减材技术的浪费情况,材料消耗减少了高达 97% 。使用 DED/CNC 机器,也可以仅将材料添加到选定位置。这用户通过向零件添加金属来修复损坏的组件并加快生产,例如用于海洋和石油和天然气行业的组件。同时,CNC 单元可以在材料沉积运行之间加工精细的内部结构。

尽管具有巨大的优势,混合制造并不能满足所有制造需求,也存在一些缺点:

●虽然这些机器可以降低初始投资,但它们并不便宜,而且可能超出小公司的预算。

●操作混合机器可能很复杂,需要操作员对 3D 打印和 CNC 加工有复杂的了解,以确定制造给定零件的最佳方法。

混合制造机器的应用

微信图片_20221124213801.jpg
△用于航空航天业的执行器组件展示了混合制造机器如何为现有金属管添加复杂功能(来源:AMRC)

混合制造适用于许多行业,任何依赖于金属或热塑性塑料精密制造部件的应用都将从混合制造技术中受益。特别适合的行业是:

●航空航天:航空航天工业需要具有严格公差的耐热、坚固、轻便的部件。混合制造可以用增强热塑性塑料和铝等金属制造这些部件。

●汽车:汽车发动机和底盘包含大量复杂零件。混合制造使汽车制造商能够在一台机器上生产这些部件,从而降低材料和劳动力成本。

●通用工程:较长的正常运行时间对任何制造业都至关重要。借助混合制造解决方案,可以修复损坏的机械部件,从而降低成本并减少常备库存。

医疗:混合制造可以帮助医疗专业人员打造完美贴合的定制植入物、假肢和手术工具。AM 组件允许零件定制,而 CNC 加工可确保理想的零件质量。

一些具体案例如下:
航天领域:
谢菲尔德大学先进制造研究中心 (AMRC) 的工程师旨在研究和开发推进制造技术的新方法。作为该目标的一部分,他们设计了一种新方法来制造航空航天工业的关键执行器部件(如上图所示)。这些执行器传统上是通过将实心金属棒加工成一定形状来制造的。使用 DED/CNC 机器,AMRC 可以将原料部件改为管材。通过优化顺序增材制造和加工过程,研究人员可以将 3D 打印金属添加到原料管中,这种方法提高了加工操作的稳定性并显着降低了材料消耗。“使用混合制造可以简化特征加工策略,混合加工将成本降低 23%”新兴加工技术的技术研究员 Nikolaos Tapoglou 解释道。

●工程
Sulzer是一家瑞士制造商,为石油和天然气以及能源行业生产关键运营部件,包括泵。叶轮是泵的重要部件,但由于腐蚀性液体流过它们,它们会遭受严重磨损,需要定期更换。Sulzer过去使用传统机加工制造叶轮,但其复杂的几何形状导致交货时间极长。通过实施使用 siemens NX 混合 CAD/CAM 软件操作的 DMG Mori Lasertec 65 DED/CNC 机器,Sulzer 现在可以通过在 AM 和机加工方法之间交替来构建叶轮的复杂通道结构。该公司已将其交货时间缩短了 25 倍,现在可以铣削以前无法进入的区域,生产出具有高表面质量的零件,从而提高了效率。此外,混合动力机器使公司能够制造比以前更大的部件。

微信图片_20221124213804.jpg
△具有一致冷却通道的模具,然后用 H13 工具钢进行加工,耗时大约 86 小时,但需要操作员的时间不到一个小时(来源:Mantle)

●医疗
一家全球医疗设备制造商使用工具钢模具生产高温塑料原型零件。由于新模具的交货时间很长,该公司难以及时将新产品推向市场。它曾尝试过 3D 打印塑料模具嵌件,但它们的绝缘性能和表面光洁度限制导致原型和最终零件之间的材料限制和不准确。为了解决这个问题,该公司选择了 Mantle P-200 HM 机器。借助 P-200,该公司使用 P2X 工具钢材料 3D 打印模具嵌件,并将其加工成最终形状。这种方法导致模具嵌件具有极其严格的 (0.001”) 公差和光滑的哑光表面,在成型前不需要表面精加工。模具在高达 600 °C 的成型温度下表现完美。混合工艺将新模具的交货时间缩短了 80% 以上,从 7 周缩短到 8 天。此外,这家医疗公司的制造成本下降了 50% 以上。

混合 CNC/3D 打印机

微信图片_20221124213807.jpg
△DMG Mori 的巨型混合动力 Lasertec 8000 DED / 车铣复合机床(来源:DMG Mori)

尽管 HM(混合制造) 技术仍处于相对初级阶段,但市场上已经有很多混合制造机器制造商了。机器种类繁多,用户可以轻松选择符合其材料、生产率和预算需求的解决方案,而不会影响零件质量。

●Zmorph FAB

微信图片_20221124213810.jpg
△Zmorph 的3D打印机称-Fab(来源:Zmorph)

Zmorph FAB 是今天列出的混合制造机器中最小的混合打印机。该公司表示,这款多工具3D打印机包括一个单挤出机或双挤出机3D打印机、一个 CNC 铣削工具头和一个厚膏挤出机,在实验应用、材料、研究和定制装饰方面具有广泛的潜力。Zmorph 用于 3D 打印和 CNC 铣削的一体化软件,称为 Voxelizer,具有用于 CNC 程序的 CAM 标准工作流程和 STEP 操作,能够在一个 G 代码中更改工具,以及路径可视化。

Zmorph 表示,借助自动工具头检测,Fab 的工作流程变化很快,效率很高。可以加工Fab上3D打印的零件,但这里的重点更多地放在单台机器的双重用途上,而不是像其他大多数工业机器那样在单个过程中执行减材和增材制造。

●Diabase H系列打印机

微信图片_20221124213814.jpg
△来自 Diabase 的 FDM/CNC 铣床(来源:Diabase)

位于科罗拉多州的 Diabase Engineering 的 H 系列目前仅包括一台机器 — H5-400。但这款 FDM/CNC 铣床的目标很高。Diabase 的设计目标一直是使机器尽可能易于使用,使一个人可以使用一台计算机来操作它。H5-400 配备一个 5 工位自动换刀器,带有 14 个铣刀和三个打印头。全向接触式测头可自动进行床身补偿、边缘检测和机器校准。该机器可以打印任何适合最高热端温度 310°C 的热塑性塑料。

打印喷嘴具有自清洁和灌注功能,使 H5-400 能够在一次打印中组合多种材料。机器运行标准 G 代码,因此操作员可以使用他们熟悉的任何切片器和 CAM 包,进一步提高可用性。

●Namma Eva

微信图片_20221124213817.jpg
△Eva 三合一混合制造机(来源:Namma)

法国制造初创公司Namma提供 Eva 三合一混合制造机器。这台大幅面机器结合了 FDM 3D 打印机挤出机、CNC 铣头以及激光切割机和雕刻机。只需更换工具头即可。多种多样的生产选择使 Eva 成为一个非常通用的制造解决方案。但是,Eva的多功能性并不止于此。对于 FDM 打印,Eva 有两个可快速更换的工具头,一个带有双挤出机,另一个用于快速打印。该机器支持多种热塑性塑料,包括 ABS 碳纤维、PLA、尼龙、PC 和 TPU。3 轴 CNC 组件还具有独立的工具头,适用于从木材、塑料到铝等柔软耐用的材料。同样,激光雕刻机/切割机具有低功率和高功率工具头选项。

这些工具可以在不到一分钟的时间内相互交换。一个人可以使用 N-Play 软件操作所有三个制造过程。Namma EVA 的构建体积为 1,000 x 500 x 500 毫米,是一款功能强大且灵活的塑料混合制造机器。

3D Systems Atlas HS

微信图片_20221124213820.jpg
△Atlas HS 混合 3D 打印机 CNC 机器(来源:3D Systems)

在 2022 年被行业巨头 3D Systems 收购之前, Titan Robotics 多年来一直在制造Atlas HS混合增材和减材机器。Atlas 通过颗粒挤压快速打印,然后在打印过程中或之后通过铣削快速平滑零件,同时将零件保留在打印床上。Atlas HS 的设计和制造旨在满足航空航天、汽车、铸造和消费品等行业客户的需求。该公司表示,Atlas HS 上的混合增材和减材系统使用户能够在一台机器上快速且经济高效地制造最终用途零件、模型、模具、工具、夹具和夹具。

用户可以使用颗粒原料将材料成本降低多达 10 倍,并通过在打印床上自动铣削零件来降低人工成本。Atlas-HS 上的高温材料包括 CF-PEI、GF-PEKK 和 GF-PC,带有 Titan 自己的颗粒挤出系统和工业加热外壳。Atlas-HS 在同一个龙门架上集成了一个 3 轴铣削系统,因此可以在打印过程中和之后对 3D 打印部件进行加工。Atlas HS 还提供双颗粒挤出机和用于双重打印和铣削功能的主轴工具头

●Sugino Xtended

微信图片_20221124213822.jpg
△Sugino Xtended 3D CNC(来源:Sugino)

总部位于意大利的Sugino 的 Xtended使用基于粉末的激光金属沉积 (LMD)(DED 的一种形式)来 3D 打印金属零部件。该平台采用双头设置,结合了 Ambit(如下所示)激光加工头和带 13 种工具选项的 5 轴 CNC 头。LMD 使用1,064 nm 光纤激光器,与铬镍铁合金、钴合金、不锈钢和工具钢兼容。标准加工头具有 200-700W 的功率输出和 0.8-1.2 毫米的沉积宽度,而可选的二次加工将功率提高到 500-1,000W,同时还将沉积宽度增加到 1.5-2.2 毫米。CNC 刀具选项可从 13 种刀具扩展到 21 种刀具,特别用于快速原型制作和修复现有的、损坏的零部件。


Matsuura (松浦) Lumex Avance-60

微信图片_20221124213825.jpg
△Matsuura (松浦)Lumex Avance-60 混合3D打印机和数控铣床

日本制造商 Matsuura 是2002年首批将增材制造和减材制造商业化的公司之一。Lumex Avance-60 采用 SLM 3D 打印机,可以使用 1,000W 镱光纤激光器处理 Matsuura 的金属粉末,包括不锈钢、钴、钛、铝和镍合金。该机器具有 600 x 600 x 500 毫米的打印体积,可以快速高效地打印大型部件,例如整个 V8 发动机缸体。它还具有用于材料回收的自动粉末回收系统。Lumex Avance-60 采用高速铣削主轴,用于 CNC 加工,提供 20 种刀具选项。该机器使用 Matsuura 专有的 CAM 软件来定义激光扫描和铣削路径。

除了 Lumex Avance-60 之外,Matsuura 还生产功能更弱但更紧凑的 Lumex Avance-25 型号。这种低端型号具有相同的工具选项,但主轴电机和激光器的功率较弱。这两种型号都针对广泛的行业,从原型制作和注塑成型到要求苛刻的汽车、航空航天、医疗和能源应用。

●DMG Mori Lasertec Hybrid

微信图片_20221124213828.jpg
△DMG Mori Lasertec 系列混合 DED 3D 打印 CNC 铣床(来源:DMG Mori)

DMG Mori 生产 Lasertec 系列混合 DED 3D 打印 CNC 铣床。Lasertec 系列包括 Lasertec 65、125、3000 和 6600。每台机器都有一个用于金属材料沉积的 5 轴同轴喷嘴,每台都配备了 3,000W 光纤激光器,但 6600 除外,它将默认激光功率降至 2,000W。它们支持多种金属材料,从不锈钢和工具钢到镍和铜合金、钴铬合金和青铜。2022 年,该公司为混合动力机器增加了新开发的蓝色激光器。它具有更好的吸收性能,例如,可以加工纯铜。

由于能够生产近四米长的零件(在 6600 上),DMG Mori 将 Lasertec 系列定位于制造和维修要求苛刻的行业的零件。通过集成数字化解决方案,这些机器面向航空航天、石油和天然气、能源和工程领域。

●Eco-Hybrid

微信图片_20221124213832.jpg
△Hans Weber Eco-Hybrid有四种尺寸可供选择,将熔融颗粒制造或 FDM 打印与颗粒材料和加工相结合。

连续增材打印工艺允许生产大批量和极具弹性的组件。在打印之后或打印期间,进行 5 轴加工以优化精度和表面。该公司表示,这使得该系统成为生产用作快速原型或用于最终生产小型和大型系列的粗略部件的理想选择。由于其尺寸范围很大,最大的打印机可以用于建筑行业的模板制造或模具制造行业的铸模制造。CNC 加工能提高精度和光洁度。

●CEAD BEAD

微信图片_20221124213836.jpg
△CEAD 的 BEAD 是用于大规模 3D 打印和精密铣削的一体式解决方案(来源:CEAD)

德国的 CEAD 于 2021 年与意大利的 Belotti 合作,利用他们各自在增材制造和减材制造方面的专业知识制造了BEAD,这是一种大型增材制造机器。BEAD 采用 CEAD 工业级 FDM 挤出机,使用聚合物颗粒。该系统的最高喷嘴温度为 400°C,可以打印多数颗粒状热塑性塑料,从 PP、ABS 和 PETG 到纤维增强和高性能材料,如 CF 尼龙或 PEEK。利用Belotti 的 5 轴 CNC 加工中心和 8 到 60 个工具更换位置,BEAD 提供了大量的多功能性。该机器有多种龙门架配置,尺寸可达 50 x 11 x 5 米。由于广泛的材料库和巨大的格式,BEAD 被用于航空航天、汽车和海洋工业,以生产模具、插头和高压灭菌工具。

●Mazak Integrex i-400 AM

微信图片_20221124213840.jpg
△Mazak Integrex i-400 AM 混合 3D 打印机和 CNC 铣床(来源:Mazak)

日本Mazak的Integrex i-400 AM是一款 5 轴 DED/CNC 机器,该公司称此款机器是用于零件高效一体化加工的解决方案。Integrex i-400 AM 使用光纤激光器熔化金属粉末。Mazak 表示,该机器能够将多种金属材料连接成一个零件,从而能够修复涡轮叶片等要求苛刻的部件。自动换刀装置根据使用的材料和系统属性将高速或高精度刀头装入 CNC 机床。Mazak还提供该机器的 Integrex i-400S AM 版本,此升级版本增加了车削主轴和铣削主轴,以最大限度地减少对夹具、工具和处理的需求。

Optomec Lens Machine Tool Systems

微信图片_20221124213843.jpg
△Optomec Lens 860 混合制造系统(来源:Optomec)

Optomec 总部位于新墨西哥州,成立于 1997 年,是增材制造领域的资深人士。该公司生产结合了 DED 金属打印机和 CNC 铣削的Lens 860 机床系统(MTS)。MTS 机器有开放式或受控气氛两种版本。两台机器都提供相同的生产率,配备 3kW 激光器、四个送粉器和一个 16 工具 ATC。它们标配了 3 轴运动系统,但可以选择升级到 4 轴或 5 轴系统。两台 Lens 机器都使用带有专有 Optomec 软件的西门子控制器。

●Mantle P-200

微信图片_20221124213846.jpg
△用于模具和工具制造的 Mantle P-200 混合制造系统(来源:Mantle)

加利福尼亚初创公司 Mantle 生产一种独特的混合制造机器,专注于模具和工具的制造。Mantle 的 P-200使用专有的金属挤压 3D 打印技术,称为 TrueShape 工艺。P-200 将此工艺与高精度 CNC 工具结合在一台机器中。TrueShape 方法类似于 FDM,但使用 Mantle 的金属糊状材料,包括 P2X 和 H13 工具钢。这些浆料被分层挤压、干燥,然后进行 CNC 加工以提高精度和改善表面光洁度。最后,零件必须在高温炉中烧结成致密的钢部件,例如 Mantle 的 F-200。

Mantle 指出这种专有工艺为组件提供了极高的细节精度和无层线的高质量表面。P-200 可以生产用于医疗和消费品生产的精密模具。Mantle 的软件会自动为每个零件确定最佳的加法和减法刀具路径策略。

●Meltio Hybrid Engine

微信图片_20221124213848.jpg
△Meltio Engine 金属 3D 打印单元可以集成到几乎任何 CNC 机器中(来源:Meltio)

西班牙金属 3D 打印机制造商 Meltio 提供了一个名为Meltio Engine的 CNC 集成单元,它可以将几乎任何工业 CNC 机器或机器人平台变成一个没有固有尺寸限制的混合金属制造系统。该公司表示,通过改造用户现有的 CNC 机器,用户将拥有一种新的能力来进行具有成本效益的组件创建、维修、零件扩充和功能添加Meltio 系统是一种定向能量沉积 (DED) 工艺,当焊珠被引入激光生成的熔池时,焊珠以粉末或线材的形式精确堆叠在一起。Meltio 的技术封装在一个紧凑的沉积头中,该沉积头带有多个激光器,能够同时处理金属线和粉末。

●Hybrid Manufacturing Technologies(HMT)

微信图片_20221124213851.jpg
△Ambit DED 工具头可以改装到大多数 CNC 机器上(来源:Hybrid Advanced Manufacturing)

另一家可以使用增材制造技术改造现有机床的公司是总部位于美国的Hybrid Manufacturing Technologies (HMT)。该公司表示混合制造一体机显着降低了成本,并为 CNC 操作员提供了简单操作的途径。HAM提供的 Ambit专利技术可更换工具激光熔覆头或带有对接系统的挤压头,可以升级几乎所有具有激光金属沉积或 FDM 的 CNC 机器,能够修复高价值金属部件并为现有部件添加其他功能。HMT还可以升级现有的垂直平台,以在一个系统中实现增材和减材加工功能,或者创建带有定制头的定制解决方案以满足用户的目标。


上一篇:现场直击 | 创想三维携多款3D打印设备亮相第24届高交会
回复

使用道具 举报

前天 09:00 | 显示全部楼层
日本沙迪克(Sodick)公司从2014年就开始推出混合制造的OPM系列打印机。
SLM+CNC,加工精度可以达到±0.01mm。
回复 支持 反对

使用道具 举报

推动3D打印

关注南极熊

下载手机APP

联系QQ/微信9:00-16:00

392908259

南极熊3D打印网

致力于推动3D打印产业发展

快速回复 返回列表 返回顶部