金屬3D打印后處理，改變CNC數(shù)控加工編程模式？

導讀：增材制造在加工復雜結構工件上具備很大優(yōu)勢，但當涉及到這些復雜工件的數(shù)控加工（CNC）后處理時，對刀具的行進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，可以實現(xiàn)更高自由度的加工，這其中X、Y和Z軸移動以及旋轉軸移動都是充滿變量的代數(shù)表達式。在這些充滿變量的程序中，一行編程運動可能有700個字符長，而運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)字制造實驗室和咨詢公司SixDigma，旨在幫助制造商應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挑戰(zhàn)。它們能夠達到比我們要求的更嚴格的精度。

△Edwin Gasparraj 領導著一家數(shù)字制造實驗室和咨詢公司 SixDigma。照片來自SixDigma.

Gasparraj認為，這種潛力沒有得到發(fā)揮的原因與我們對它們進行編程時的限制性假設有關。在現(xiàn)代機床能夠實現(xiàn)的最微小的定位水平上，機床的位置一致性很可能比工件本身的位置一致性更嚴格，因為零件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械加工的復雜度和精度上都提出了更高的挑戰(zhàn)。機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Gasparraj聽到機械加工被歸為AM"后處理 "的一部分時，他有點畏懼。有時就是這樣，如一些支撐結構的去除對CNC來講是極為復雜的挑戰(zhàn)。但是，當加工需要實現(xiàn)外部特征，以保持相對于零件內部打印的隱藏通道的精確壁厚時，這就是另一回事了另當別論了，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)有機械加工技術能夠跟3D打印聯(lián)系到一塊的地方，而增材制造也將成為一項把3D打印和機械加工結合起來的事業(yè)。

Gasparraj的團隊開發(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，有一個相對于機械加工來說比較寬松的公差帶。內部形狀也是如此——內部打印的通道和空腔。因此，這就是先進的測量必須協(xié)助加工刀具路徑的地方。SixDigma使用蔡司的光學和CT掃描設備，分別對外部和內部幾何形狀進行建模。有了這些外部和內部模型作為指導，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參考，這樣程序就可以準確地在打印好的外部和內部表面之間的包絡內找到成品零件。

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

所有這些意味著，將增材制造和機械加工作為 "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并不比工件更靜態(tài)。新技術確實發(fā)展迅速，但成熟的技術并沒有停止改變自己。其次，這些技術相互影響。我們會因為AM的需求而學到更多關于機械加工的知識，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。