增/减材柔性制造及加工系统构成形式*

王公海 冯培锋

(①嘉兴南湖学院机械与建筑工程系，浙江 嘉兴 314001；②集美大学机械与能源工程学院，福建 厦门361021)

1 增/减材柔性制造工艺及其内涵

增/减材柔性制造工艺是利用柔性制造技术[1-2]将增材制造、数控加工有机复合而成的一种多柔性加工方法。该工艺包含了单一增材制造、多材质混合串行增材制造[3]、多沉积头混合并行增材制造[3]和三轴/五轴数控切削加工等多种增/减材加工，还可以在这些加工方式之间进行混合加工，包括增材制造方式之间的混合沉积加工，以及增材制造与数控切削加工间的混合增减材加工[4-5]。

2 增/减材柔性制造工艺流程

如图1所示，增/减材柔性制造整体工艺流程是：首先零件前处理，主要是构建三维模型及其数字化处理，确定加工方式，确定沉积参数及数控加工参数；然后开始材料沉积，在复杂柔性增/减材混合加工工艺中，材料沉积有多种方式，且可以在不同的沉积工艺中进行材料堆积，实现沉积工艺柔性混合加工；材料沉积工序完成后，还可以送入到材料去除工序中，根据加工要求，选用不同的材料去除工艺进行减材加工。这种沉积工艺之间、材料沉积与材料去除之间多次反复交互进行加工，直至沉积工件柔性增/减材加工完成；最后转沉积盘移到工件/托盘分离工位上，从沉积盘上将成型工件分离，然后集中送入到零件后处理设备中。

2.1 加工前处理

(1)待加工零件的数字化建模

三维建模可以采用多种软件完成，常见的三维数据格式有STL、PLY和OBJ等，其中大部分增材制造软件使用的是STL数据格式。但STL格式数据用三角形网格来表现三维CAD模型，只能描述三维物体的几何信息，不支持颜色、材质等信息。PLY、OBJ 等虽然能表示模型的色彩信息，但不能表达材料信息。美国材料与试验协会[6]提出了一种多材料增材制造文件格式，即AMF数据格式，它是以目前增材制造工艺所使用的“STL”格式为基础、弥补了其弱点的数据格式，新格式能够记录颜色信息、材料信息及物体内部结构等。但该文件格式占用存储空间比价大。微软、惠普等7家企业组成的联盟集团联合开发了一种新的文件格式，即3MF文件格式[6]，相较于STL格式，它是一种基于XML的数据文件格式，3MF数据格式能够更完整地描述3D模型，除了几何信息外，还可以保持内部信息、颜色、材料和纹理等其他特征。几种数据格式比较如表1所示。

表1 增材制造文件数据格式对比

结合增/减材柔性制造技术所面向的沉积工艺、沉积材料的多样性特点，应该采用3MF格式的三维模型数据文件。目前，新版常见造型软件，如SolidWorks2017版，都可以输出该种格式的数据文件。后续针对复杂增/减材混合制造工艺编制的分层及控制软件也应该基于该种文件格式开发。

(2)待加工零件的复杂柔性增减材工序间转换

由于增/减材柔性制造需要在增材与增材之间，以及增材与减材之间来回切换，如果按照快速成型传统的平面分层，由于分层过多，导致来回切换次数过多，严重影响增/减材混合加工的效率,没有应用价值。所以只能采用多次堆积,形成一定厚度且具有一定几何形状层后再进行减材加工或另一材料的沉积加工，来减少沉积工件在各工位上的交换次数，进而提高沉积效率。而按照零件几何形状进行工序切换，在沉积过程中，由于工件的结构特点，分为几个部分进行材料沉积，但这会由于层厚过厚而造成一次沉积的材料过多，使沉积后的材料冷却时间延长，使材料的内部残留应力增加，从而影响成形零件的性能。因此，在按照几何形状进行工序间交换的基础上，还需要考虑沉积材料的性能特点以及减材加工的可加工性，综合这些问题后，复杂柔性增减材的工序间转换应该是上述两种交换方法的有机结合。

基于增/减材柔性制造工艺对于零件增减材工序间转换的特殊要求，在柔性增减材工序间的转换时机上需要考虑更多的因素。因此柔性增减材工序间的转换方法还有待深入研究。

2.2 增/减材柔性制造的材料沉积

(1)沉积方式及沉积材料

由于增/减材柔性制造中沉积工件需要在各设备之间来回穿梭，因此并不是所有的增材制造工艺及其沉积材料都可以成为增/减材柔性制造的沉积工艺，适合增/减材柔性制造工艺的沉积工艺要具备这些条件：

①沉积材料的材质、形状在输出端应该能呈一种线状形式输出，便于集成为1个沉积头。因此对于液体材质而言，材料形状应该是液滴型，粉末形状应该采用同轴送粉方式。

②沉积工艺所采用的能量输出端体积要小，与沉积材料一起能够集成1个小体积的沉积头，以便能通过机械手快速更换沉积头，实现多种沉积工艺间的转换。

③沉积工艺的配套环境要简单。如增材制造中的电子束焊因为需要创造一个真空环境才能进行沉积，配套要求高。因此，这种沉积方式不适合集成到增/减材柔性制造系统中。

根据上述要求，现有比较适合增/减材柔性制造的沉积方式及沉积材料类型如表2所示。

表2 当前适合柔性增/减材混合加工的材料及沉积能源方式

(2)多种柔性沉积

增/减材柔性制造工艺中的材料沉积采用柔性、模块化集成方式来构造多种沉积头，实现多种柔性沉积[3]。依据增/减材柔性制造工艺中材料沉积方式的集成要求，结合现有成熟的沉积方式，可以构造出多种沉积方式。

以激光能源沉积粉末类材料为例来说明增/减材柔性制造中各种柔性沉积工艺的构成方式，因其他能源及材质的沉积组合方式与之相似，在此不再重复。

①单一材质单一喷头沉积

沉积系统中，1种能量喷头搭配1种材质的材料喷头组合而成1个基本的沉积头，实现单一材质的沉积。同种材质可以对应多个同能量级的能量喷头以及多个结构相同的材料喷头。这些基本的沉积头是进行混合材料沉积的基础。单一材质的沉积头可以进行常规单一材质的材料沉积，也可以与其他喷头一起进行混合沉积。

②多材质单能量喷头柔性沉积

沉积系统中，1种能量喷头搭配多种材质的材料喷头组合而成1个混材的沉积头，实现多材质单能量头的混合沉积工艺。

③多材质多沉积头柔性串行混合沉积

沉积系统中，多种不同材质的单一沉积头在多个机械手的控制下按照顺序进行沉积，组成多材质多沉积头串行混合沉积工艺。该沉积方式也适合进行多材料的混合打印，以及带有支撑结构的零件沉积。

④单一材质多沉积头柔性并行混合沉积

沉积系统中，同一材质的多个沉积头(在多个机械手的控制下同时进行零件沉积，组成单一材质多沉积头并行混合沉积工艺。该沉积方式适合加工大尺寸零件，可以提高效率。

柔性复杂增/减材混合加工中的单一沉积头在机械手的控制下实现沉积作业，与不同种类的沉积盘以及不同尺寸多角度摆动转接台组合，依据沉积工件几何结构的不同，可以构造出多种沉积方式。

根据沉积工件因为几何形状的复杂性不同，以及加工时沉积头需要移动的自由度数的不同，可以分成3种加工方式，即一般结构件沉积、复杂结构件沉积和一般/复杂结构件沉积。全一般结构的工件沉积方式是采用1个单元沉积头、1个多自由度沉积头移动机械手及相应数控程序，搭配1个相应规格的沉积盘构成。全复杂结构的工件沉积方式是采用1个单元沉积头、1个多自由度沉积头移动机械手及相应数控程序，搭配1个相应规格的沉积盘及相应尺寸规格的多角度摆动转台构成。一般/复杂结构的工件沉积方式是在1次沉积加工过程中，既有一般结构件的沉积加工也有复杂结构件的沉积加工。

2.3 柔性增减材混合加工

柔性增减材混合加工是在材料沉积、材料去除两个工序中反复迭代，实现工件增减材制造的一种加工方式。依据沉积工件几何结构的复杂程度，柔性采用不同的沉积方式，不同型号、不同移动自由度的切削刀具，以及相应的数控程序，将增减材混合加工分成一结构件的柔性增减材混合加工，复杂结构件的柔性增减材混合加工，以及一般/复杂结构件的柔性增减材混合加工。一般结构件的柔性增减材混合加工，是采用一般结构件的材料沉积工艺、三自由度移动的切削刀具及相应数控程序组合而成。复杂构件的柔性增减材混合加工是采用一般结构件的材料沉积工艺、四自由度移动的切削刀具及相应数控程序组合而成。一般/复杂构件的柔性增减材混合加工在一次增减材加工过程中，既有一般结构件的增减材加工，也有复杂结构件的增减材加工。

2.4 零件后处理

由于增/减材柔性制造工艺中，材料种类多，因此零件后处理工艺众多，在此环节，只讨论增/减材柔性制造工艺密切相关的沉积盘与工件分离工艺。

在大多数增材制造及增减材混合制造中，沉积工件与设备工作台的分离没有得到重视，还是依靠暴力拆卸方式，这很容易损坏工件及工作台。针对增/减材柔性制造工艺，由于沉积方式多样，多零件同时加工，因此原有的这种依靠人力拆卸的方式已经不适用，需要开发新的、自动化的工件/工作台分离工艺。

在增/减材柔性制造系统中，对于金属材料而言，材料与沉积盘的吸附紧密，通常采用暴力分离，容易损坏工件。因此应该采用一些新的工件与沉积盘分离装置，比如针对导电的金属材料采用卧式线切割工艺，可同时切割多个零件，效率高、不损坏工件。对于塑料材料，材料与沉积盘的结合不很紧密，只需较小的外力即可让工件与沉积盘分离，因此仍可以采用机械式分离方法。

3 增/减材柔性制造系统构成形式

3.1 增/减材柔性制造系统加工设备构成

基于增/减材柔性制造工艺，进一步的分析，可得到如图2所示的增/减材柔性制造系统组成设备及相互关系图。

增/减材柔性制造系统的制造设备主要由以下各部分构成[7-9]：

①材料储存及输送设备。依照增/减材柔性制造工艺所采用的4种形状材料及1种辅助沉积材料，每种形状的材料又对应多种材质，每种材质对应1个储存装置，不同形状材料，其储存装置形式不同。根据沉积工艺的发展，其储存装置可以进一步的添加。

输送设备的作用是储存装置中的材料送至对应的材料喷头上，1种材质对应1个或多个材料喷头。粉末类、液体类、气体类和颗粒类材料可以采用泵送，丝材采用机械式推送。

②材料沉积设备。材料沉积设备由沉积头、沉积盘、多角度摆动转接头、夹具库、多自由度机械手及其导轨构成。其中沉积头由材料喷头与能量喷头组合而成，机械手通过使用夹具库中的各种夹具头来执行各种动作，如沉积头的组装，驱动沉积头进行沉积作业，执行沉积盘、多角度摆动转接台的取放等动作。

③材料去除设备。材料去除设备采用多自由的数控铣削来进行材料去除，根据材料的不同可以三轴材料去除，或者四轴材料去除。

④沉积工件存放及与沉积盘分离设备。在系统中设置沉积工件存放架，沉积工件通过机械手将沉积工件连同沉积盘一起放置在存放架上。通过单独的沉积工件/沉积盘分离设备，将沉积工件与沉积盘分离。

3.2 增/减材柔性制造系统加工设备布局形式

增/减材柔性制造系统的设备组成与布局如图3所示，该制造系统采用龙门式布局，将材料去除设备布置在横梁上，可沿横梁移动，横梁可以沿着Y向移动。材料去除设备的切削刀具可以做Z向移动及B向转动，实现多自由度去除材料。柔性材料沉积部分由沉积设备本体、沉积头库、沉积盘库、材料库、多自由度机械手及U型导轨构成。多自由度机械手带动沉积头移动，实现沉积作业。多个多自由度机械手在U型导轨上移动，可以实现并行沉积及多材沉积。工作台可以做Z向移动，便于材料沉积及材料去除。

4 结语

增/减材柔性制造工艺及其加工系统是在增减材制造工艺的基础上引入柔性制造的思想，将沉积头接口标准化，沉积头集成化、小型化，利用多自由度机械手，让单一沉积方式走向多沉积头并行沉积及多材沉积，从而实现沉积方式的多样化、柔性化，进而扩大增材制造的加工范围。通过集成多自由度材料去除装置，以满足不同结构复杂度的沉积工件的材料去除，进一步提高增材制造的效率与精度。