金屬3D打印后處理，改變CNC數(shù)控加工編程模式？

導(dǎo)讀：增材制造在加工復(fù)雜結(jié)構(gòu)工件上具備很大優(yōu)勢，但當(dāng)涉及到這些復(fù)雜工件的數(shù)控加工（CNC）后處理時，對刀具的行進(jìn)路徑也帶來了更為苛刻的挑戰(zhàn)。面對金屬3D打印零件高精度的深層加工需求時，CNC的測量和加工程序也需做出相應(yīng)的升級和改變。

2022年4月19日，南極熊獲悉，來自俄亥俄州的加斯帕拉吉（Edwin Gasparraj）編寫了一款新的數(shù)控加工控制程序，可以實(shí)現(xiàn)更高自由度的加工，這其中X、Y和Z軸移動以及旋轉(zhuǎn)軸移動都是充滿變量的代數(shù)表達(dá)式。在這些充滿變量的程序中，一行編程運(yùn)動可能有700個字符長，而運(yùn)行一個依賴變量的五軸程序可能使CNC每秒處理超過10,000個字符。

Gasparraj在俄亥俄州創(chuàng)立了一家數(shù)字制造實(shí)驗(yàn)室和咨詢公司SixDigma，旨在幫助制造商應(yīng)對五軸加工方面的棘手挑戰(zhàn)。他說，很少有人意識到現(xiàn)代數(shù)控加工中心面臨的真實(shí)挑戰(zhàn)。它們能夠達(dá)到比我們要求的更嚴(yán)格的精度。

△Edwin Gasparraj 領(lǐng)導(dǎo)著一家數(shù)字制造實(shí)驗(yàn)室和咨詢公司 SixDigma。照片來自SixDigma.

Gasparraj認(rèn)為，這種潛力沒有得到發(fā)揮的原因與我們對它們進(jìn)行編程時的限制性假設(shè)有關(guān)。在現(xiàn)代機(jī)床能夠?qū)崿F(xiàn)的最微小的定位水平上，機(jī)床的位置一致性很可能比工件本身的位置一致性更嚴(yán)格，因?yàn)榱慵�以各種方式處于變化之中。它在移動，它在變化，它在不同的工件上也有差異。找出這些不一致的地方并將其納入編程，加工精度就會提高。

增材制造的后處理在機(jī)械加工的復(fù)雜度和精度上都提出了更高的挑戰(zhàn)。機(jī)械加工一直以來的定位都是在處理缺乏良好加工定位表面的實(shí)體零件，特別是鑄件。但鑄件經(jīng)常是大批量的，有報廢的空間。相比之下，AM生產(chǎn)的零件難以定位，在加工前可能還投入了超過100小時的打印時間。因此在加工中報廢零件，成本太高，不允許。

這就是為什么當(dāng)Gasparraj聽到機(jī)械加工被歸為AM"后處理 "的一部分時，他有點(diǎn)畏懼。有時就是這樣，如一些支撐結(jié)構(gòu)的去除對CNC來講是極為復(fù)雜的挑戰(zhàn)。但是，當(dāng)加工需要實(shí)現(xiàn)外部特征，以保持相對于零件內(nèi)部打印的隱藏通道的精確壁厚時，這就是另一回事了另當(dāng)別論了，他的公司在加工AM的過程中多次遇到這種挑戰(zhàn)。這也是現(xiàn)有機(jī)械加工技術(shù)能夠跟3D打印聯(lián)系到一塊的地方，而增材制造也將成為一項(xiàng)把3D打印和機(jī)械加工結(jié)合起來的事業(yè)。

Gasparraj的團(tuán)隊(duì)開發(fā)的數(shù)控程序在兩臺使用西門子控制的Grob五軸加工中心上得到驗(yàn)證，他們開發(fā)了具有可變的XYZ移動和工具軸矢量的程序，以加工具有挑戰(zhàn)性的鑄件和鍛件，以及AM零件。

△基于工件變化的程序不是固定的數(shù)字刀具路徑移動，而是在每條線中包含變量。照片來自SixDigma。

通常通過粉床熔合制造的AM零件接近凈成形，但還不夠接近。打印出來的零件的外部形狀與CAD模型一致，有一個相對于機(jī)械加工來說比較寬松的公差帶。內(nèi)部形狀也是如此——內(nèi)部打印的通道和空腔。因此，這就是先進(jìn)的測量必須協(xié)助加工刀具路徑的地方。SixDigma使用蔡司的光學(xué)和CT掃描設(shè)備，分別對外部和內(nèi)部幾何形狀進(jìn)行建模。有了這些外部和內(nèi)部模型作為指導(dǎo)，可變的刀具路徑基本上可以讓CNC精確地定位和確定加工程序的坐標(biāo)參考，這樣程序就可以準(zhǔn)確地在打印好的外部和內(nèi)部表面之間的包絡(luò)內(nèi)找到成品零件。

而且，這種變化并不以這種起始幾何形狀為終點(diǎn)。Gasparraj說，在加工過程中，對外部基準(zhǔn)的過程探測可以跟蹤溫度引起的零件移動，還有材料成型導(dǎo)致在零件中形成的張力變化。Gasparraj團(tuán)隊(duì)展示的一個AM部件上，對精度要求非常嚴(yán)格，以至于該部件在熱處理爐中的位置也被認(rèn)為是一個重要的決定因素。該團(tuán)隊(duì)寫入CNC程序的變量同樣考慮到了這個位置，因?yàn)檫@已被證明會影響零件在切割過程中由于內(nèi)應(yīng)力而產(chǎn)生的移動方式。

所有這些意味著，將增材制造和機(jī)械加工作為 "新式"與"傳統(tǒng)"制造方法的比較，部分地忽略了一些東西。首先，這樣的比較中的參考點(diǎn)并不比工件更靜態(tài)。新技術(shù)確實(shí)發(fā)展迅速，但成熟的技術(shù)并沒有停止改變自己。其次，這些技術(shù)相互影響。我們會因?yàn)锳M的需求而學(xué)到更多關(guān)于機(jī)械加工的知識，而這些收獲將延伸到AM之外。換句話說，制造技術(shù)之間的界限并不固定。它是所有的制造，而且所有的制造都在不斷變化中。