Sistem CNC Hibrida: Merevolusi Manufaktur Aditif dan Subtraktif

Temukan manfaat dari sistem CNC hibrida yang mengintegrasikan manufaktur aditif dan subtraktif secara mulus. Jelajahi aplikasi, keunggulan, dan tren masa depan dalam industri seperti kedirgantaraan dan perangkat medis. Pelajari bagaimana produsen terkemuka memajukan teknologi inovatif ini.

Sistem CNC Hibrida: Menggabungkan Manufaktur Aditif dan Subtraktif

Artikel ini membahas tinjauan menyeluruh tentang manufaktur hibrida, dimulai dengan pengenalan sistem hibrida dan evolusi historisnya. Artikel ini membandingkan manufaktur aditif dan subtraktif, membahas definisi, proses, serta kelebihan dan kekurangannya. Kebutuhan akan sistem hibrida dieksplorasi, dengan menyoroti keterbatasan teknologi mandiri dan manfaat mengintegrasikan kedua metode tersebut. Manfaat utama dari sistem hibrida diperiksa, termasuk peningkatan kompleksitas dan kebebasan desain, pengendapan material yang terlokalisasi, kemampuan perbaikan komponen, pengurangan limbah, dan aplikasi dalam perkakas dan produksi volume rendah. Artikel ini juga membahas tentang pencetakan 3D CNC, yang merinci integrasi proses aditif pada mesin CNC dan alur kerja hibrida modern. Lebih lanjut, artikel ini membahas fitur-fitur sistem aditif-subtraktif terkemuka, yang menekankan pada teknologi dan komponen inti. Teknologi perbaikan hibrida diperkenalkan, dengan menampilkan aplikasinya di bidang kedirgantaraan dan komponen bernilai tinggi. Konsep pemesinan multi-proses juga dieksplorasi, khususnya integrasi FDM pada mesin milling dan desain platform hibrida modular. Melihat ke masa depan, artikel ini menyoroti aplikasi dan inovasi baru dalam manufaktur hibrida, di samping tren perangkat lunak dan otomatisasi. Kesimpulannya merangkum dampak manufaktur hibrida dan menawarkan wawasan tentang perkembangan di masa depan. Terakhir, bagian Tanya Jawab membahas pertanyaan umum tentang manufaktur hibrida, memberikan jawaban dan klarifikasi yang jelas.

Manufaktur hibrida muncul sebagai kemajuan mutakhir yang menggabungkan peluang rencana manufaktur aditif dengan akurasi dan efisiensi tinggi dari proses pemesinan subtraktif. Dengan mengoordinasikan prosedur pernyataan energi yang terkoordinasi, misalnya, pelapisan laser secara langsung ke perangkat mesin yang dikontrol secara matematis (CNC), produsen dapat menggunakan dua kemajuan tersebut dengan cara yang sepenuhnya terintegrasi. Upaya awal dalam manufaktur hibrida melibatkan perkuatan mesin CNC yang sudah ada dengan kemampuan tambahan. Namun, sinergi yang sesungguhnya dicapai melalui sistem yang dibuat khusus yang dirancang dari bawah ke atas untuk integrasi yang mulus antara alur kerja manufaktur aditif dan subtraktif. OEM terkemuka seperti Mitsui Seiki dan DMG Mori telah mengembangkan platform hibrida canggih yang memasang kepala laser dan nozel pengumpanan serbuk ke spindel mesin seperti halnya alat potong biasa. Ketika proses aditif dan subtraktif digabungkan pada platform hibrida yang dioptimalkan, maka akan muncul potensi-potensi baru. Geometri internal yang kompleks dapat dibuat dengan tetap mempertahankan toleransi yang ketat melalui pemesinan berikutnya. Deposisi multi-material yang terlokalisasi dan aplikasi perbaikan komponen juga dimungkinkan. Artikel ini akan mengeksplorasi aspek teknis dan implementasi industri manufaktur hibrida. Ini akan mencakup desain sistem terintegrasi, integrasi proses aditif-subtraktif inti, aplikasi dalam industri seperti kedirgantaraan dan pandangan terhadap masa depan manufaktur multi-proses.

Manufaktur hibrida adalah pola yang berkembang sesuai pemeriksaan informasi. Pencarian untuk "Manufaktur hibrida" mulai bergerak ke atas pada tahun 2016 dan terus meningkat secara konsisten sejak saat itu. Hal ini sesuai dengan pembuat instrumen mesin yang signifikan seperti Mitsui Seiki dan DMG Mori yang menghadirkan kerangka kerja crossover yang paling mudah diakses secara ekonomis sekitar tahun 2015-2016. Istilah pencarian terkait seperti "manufaktur aditif-subtraktif" dan "Pencetakan 3D CNC" telah mengikuti arah peningkatan yang sebanding dalam volume pencarian selama beberapa tahun terakhir. Minat provinsi juga menunjukkan bahwa manufaktur half breed memperoleh pertimbangan di seluruh dunia. AS, Jerman, dan Jepang telah mendorong volume pencarian yang besar hingga saat ini, mungkin didorong oleh penerimaan di antara OEM penerbangan/otomotif dan rantai persediaan mereka di negara-negara ini. India juga muncul sebagai pasar yang berkembang pesat untuk permintaan inovasi crossover. Di tingkat negara bagian/lokal di negara-negara yang lebih besar, desain pencarian sejalan dengan pusat-pusat manufaktur modern utama. Di Amerika Serikat, California, Washington dan Michigan menjadi tujuan utama. Di Jerman, minat berpusat di Baden-Württemberg, Lower Saxony dan North Rhine-Westphalia. Hal ini sejalan dengan pengelompokan bisnis penerbangan, desain dan manufaktur yang merangkul pintu terbuka setengah baru. Analisis keseluruhan menegaskan meningkatnya minat dan penggunaan teknologi manufaktur hibrida di seluruh dunia selama beberapa tahun terakhir. Akses yang diperluas ke sistem yang memungkinkan menandakan ekspansi lebih lanjut karena lebih banyak aplikasi yang muncul di berbagai sektor.

Manufaktur Hibrida

Manufaktur Aditif vs Subtraktif

Manufaktur aditif, misalnya, sintering laser membuat komponen lapis demi lapis dengan memadukan bahan seperti bubuk plastik atau logam menjadi satu. Menariknya, manufaktur subtraktif menggunakan metode seperti pemesinan kontrol matematis PC (CNC) untuk menghilangkan atau menghancurkan material dari blok yang kuat atau bentuk awal untuk membuat bagian yang dicetak. Kedua pendekatan ini memiliki pro dan kontra. Manufaktur aditif memungkinkan fitur internal yang kompleks dan kebebasan desain karena bekerja dengan menambahkan material secara progresif. Namun, hasil akhir permukaannya cenderung kasar dengan garis-garis lapisan yang terlihat. Proses ini juga lebih lambat daripada proses subtraktif. Manufaktur subtraktif memberikan akurasi dimensi dan hasil akhir permukaan yang baik dari bentuk awal pemesinan. Namun, proses ini kesulitan dengan kompleksitas geometris yang tinggi dan lebih banyak material yang terbuang.

Kebutuhan akan Sistem Hibrida

Untuk mengatasi keterbatasan aditif dan subtraktif yang berdiri sendiri, sistem hibrida menyatukan kedua pendekatan tersebut. Hal ini memungkinkan untuk memanfaatkan keduanya dalam satu proses manufaktur dan mesin. Sistem hibrida mengintegrasikan berbagai opsi untuk menambah dan menghilangkan material, sehingga memungkinkan fungsi baru. Dengan menggabungkan proses-proses tersebut, manufaktur hibrida dapat mengatasi masalah-masalah seperti hasil akhir permukaan yang buruk dari manufaktur aditif. Sistem ini juga mengatasi kesulitan manufaktur subtraktif dengan struktur internal yang rumit. Pada platform hibrida, fitur-fitur dapat ditambahkan dan dikerjakan secara bergantian sesuai kebutuhan untuk kecepatan, presisi, atau manfaat properti material.

Manfaat Sistem Hibrida

Peningkatan Kompleksitas

Saluran internal, kisi atau struktur seluler menjadi mungkin karena lapisan dapat ditempatkan di dalam bentuk awal menggunakan teknik aditif.

Deposisi Material Lokal

Bahan yang berbeda dapat disimpan dalam pola yang disesuaikan, memungkinkan multi-bahan atau bagian yang bergradasi secara fungsional.

Perbaikan Bagian

Komponen yang rusak dapat dipulihkan dengan membangun kembali area yang aus melalui pengendapan aditif yang diikuti dengan pemesinan.

Pengurangan Limbah

Lebih sedikit bahan baku yang terbuang dibandingkan dengan pemesinan blanko padat, karena aditif yang diumpankan dengan bubuk hanya menggunakan jumlah bahan yang dibutuhkan.

Aplikasi Perkakas

Cetakan, cetakan dan perlengkapan dapat memanfaatkan serbuk logam yang lebih murah sementara pemotong yang digabungkan memberikan hasil akhir permukaan yang dibutuhkan.

Produksi Volume Rendah

Sistem hibrida meningkatkan efisiensi untuk suku cadang yang kompleks, khusus, atau bervolume rendah yang jika tidak, akan mengalami waktu tunggu yang lama melalui pemesinan tradisional.

Implan Medis

Integrasi bahan biokompatibel aditif/subtraktif menghasilkan implan medis dan prostetik yang rumit dan personal.

Pencetakan 3D CNC

Mengintegrasikan Aditif ke Mesin CNC

Upaya awal pada sistem hibrida melibatkan perkuatan mesin milling atau bubut CNC yang sudah ada dengan kemampuan manufaktur aditif. Hal ini dilakukan dengan memasang peralatan deposisi seperti laser dan pengumpanan serbuk secara langsung ke spindel mesin. Namun, retrofit awal ini memiliki tantangan karena integrasi perangkat keras aditif yang tidak optimal. Mereka juga tidak memiliki integrasi proses yang sebenarnya di mana pencetakan dan pemesinan dapat bergantian dengan mulus di bawah kendali yang terkoordinasi. Sistem hibrida modern memiliki solusi yang lebih elegan. Produsen seperti Mitsui Seiki mendesain mesin dari bawah ke atas untuk alur kerja aditif-subtraktif yang terintegrasi penuh. Laser dan nozel dirancang untuk dipasang dan diganti seperti halnya alat milling biasa. Suplai bubuk dan energi dapat secara otomatis dipasangkan dengan cepat ke kepala untuk pengendapan material yang efisien.

Alur Kerja Proses Hibrida

Model simulasi kembaran digital atau simulasi virtual menjadi dasar untuk proses manufaktur hibrida pada mesin yang terintegrasi ini. Bagian pertama-tama dipindai menggunakan pemindai laser, dan data pemindaian dibandingkan secara digital dengan versi model CAD. Perangkat lunak perencanaan proses kemudian secara otomatis menghasilkan jalur pahat aditif untuk deposisi bersama dengan jalur pahat subtraktif untuk langkah pemesinan selanjutnya. Jalur pahat ini memberi makan pengontrol pusat yang mengawasi peralatan otomatis. Bagian tersebut mengalami manufaktur berurutan termasuk menyimpan material, fitur pemesinan, deposisi material tambahan, dan iterasi pemesinan lebih lanjut hingga selesai sepenuhnya. Pemantauan proses dengan sensor memastikan akurasi dimensi dan kontrol termal secara keseluruhan.

Aplikasi Pencetakan 3D CNC

Aplikasi utama yang ditunjukkan sejauh ini oleh sistem hibrida meliputi perbaikan komponen kedirgantaraan yang sudah aus seperti bilah turbin gas. Kemampuan untuk merekonstruksi area yang rusak melalui pengendapan lokal yang diikuti dengan pemesinan membuat aplikasi ini sangat cocok. Aplikasi lain termasuk membuat komponen dengan geometri kompleks yang tidak mungkin dilakukan dengan pemesinan saja, seperti fitur yang terbungkus dengan struktur kisi berpori. Komponen multi-material juga memanfaatkan kemampuan integrasi material aditif-subtraktif hibrida. Secara keseluruhan, dengan menyatukan manufaktur aditif berbasis laser secara langsung dengan operasi pemesinan CNC presisi tinggi, mesin hibrida membuka kebebasan desain baru dan peningkatan produktivitas dibandingkan dengan sistem yang berdiri sendiri. Mesin ini menggabungkan yang terbaik dari teknologi manufaktur aditif dan subtraktif.

Sistem Aditif-Subtraktif

Mengintegrasikan Deposisi ke Peralatan Mesin

Produsen peralatan mesin terkemuka telah mengembangkan sistem hibrida canggih yang mengintegrasikan kemampuan manufaktur aditif secara langsung ke dalam peralatan manufaktur subtraktif. Alih-alih memasang laser sebagai tambahan baut sederhana, mesin hibrida ini dibuat khusus untuk integrasi proses aditif-subtraktif yang mulus. Mitsui Seiki mendesain sistem hibrida dari bawah ke atas. Laser dan nozel serbuk dirancang untuk dipasang secara tepat ke spindel mesin, seperti halnya alat potong biasa. Nozel secara otomatis terhubung melalui antarmuka koneksi cepat ke energi laser dan bagian pengiriman bubuk. Dengan mendesain integrasi pada level ini, proses aditif-subtraktif dapat benar-benar bergantian di bawah aliran kontrol terpadu. Produsen terkemuka lainnya seperti DMG Mori, Mazak dan Trumpf juga menawarkan platform hibrida khusus. Beberapa mengintegrasikan peleburan laser selektif sementara yang lain fokus secara khusus pada fabrikasi filamen yang menyatu atau teknik deposisi energi terarah seperti kelongsong laser. Mesin turn-mill juga tersedia untuk komponen simetris rotasi.

Komponen Sistem Utama

Selain laser dan peralatan serbuk yang terintegrasi secara erat, sistem hibrida menggabungkan beberapa teknologi inti lainnya: Spindel multi-sumbu dan kontrol gerak untuk akses bagian 5 sisi. Selungkup yang mempertahankan atmosfer lembam untuk bahan reaktif. Pemindai yang mendigitalkan komponen dan menyandikan tanda tangan permukaan. Probe sentuh yang memverifikasi akurasi dan toleransi. Perangkat lunak modular yang memprogram jalur pahat aditif-subtraktif dengan mulus. Pemantauan proses dengan sensor dan deteksi cacat terintegrasi. Secara kolektif, semua ini memungkinkan mesin hibrida untuk memproduksi komponen logam kompleks yang cocok untuk aplikasi kedirgantaraan, energi, dan aplikasi penting lainnya.

Teknologi Perbaikan Hibrida

Penggunaan khusus dari kemampuan hibrida melibatkan perbaikan dan rekonstruksi komponen bernilai tinggi. Bilah turbin yang kompleks, impeler, dan komponen kedirgantaraan yang rusak lainnya kini dapat diperbarui melalui pengendapan aditif lokal dan pasca-pemrosesan subtraktif pada area yang terisi. Dengan membandingkan pemindaian komponen yang aus dengan model CAD, sistem hibrida secara otomatis menghasilkan jalur pahat yang merekonstruksi volume yang hilang lapis demi lapis. Pemesinan berikutnya segera menghasilkan dimensi dan permukaan akhir yang diperbaiki, sehingga tidak perlu dilakukan penyetelan terpisah. Aplikasi yang disebut teknologi perbaikan hibrida ini memanfaatkan kombinasi pemindaian, manufaktur aditif, dan pemesinan CNC dalam platform khusus. Ini menunjukkan kesiapan industri untuk manufaktur hibrida guna menyelamatkan komponen yang sangat presisi yang jika tidak, akan menghadapi biaya penggantian.

Contoh Kemampuan Hibrida

Platform khusus dari Mitsui Seiki, DMG Mori dan lainnya mendemonstrasikan kemampuan seperti produksi casing turbin dengan saluran pendingin yang tidak terpisahkan. Struktur pengecoran muncul dengan saluran internal yang sulit dilakukan dengan pemesinan. Deposisi laser yang diikuti dengan penggilingan juga menghasilkan komponen bergelang dengan fitur overhung dalam satu operasi. Pelapisan yang diaplikasikan melalui deposisi kawat meningkatkan ketahanan komponen. Komponen putar muncul dari desain hibrida turn-mill yang inovatif dalam satu penjepitan. Secara kolektif, hal ini menunjukkan keuntungan dari integrasi material aditif-subtraktif hibrida.

Pemesinan Multi-Proses

Mengintegrasikan FDM ke Mesin Penggilingan

Meskipun sebagian besar sistem hibrida berfokus pada bahan logam, beberapa produsen telah mengembangkan platform hibrida yang mengintegrasikan pencetakan 3D pemodelan deposisi terpadu (FDM) berbasis polimer ke mesin penggilingan CNC. Kepala FDM dipasang pada spindel mesin milling di samping alat pemotong. Hal ini memungkinkan pencetakan komponen termoplastik pada awalnya, kemudian langsung beralih ke pemesinan subtraktif jika diperlukan. Kompensasi penyusutan akhir dan tekanan menjadi mungkin dilakukan secara bersamaan daripada sebagai proses pasca-pemesinan. Fitur overhang yang sebelumnya membutuhkan struktur pendukung dapat diproduksi secara aditif tanpa pendukung. Logam seperti titanium juga dapat disematkan ke dalam polimer cetak 3D menggunakan koordinasi aditif-subtraktif untuk memperkuat aplikasi akhir.

Merancang Platform Hibrida Modular

Pembuat alat berat terkemuka merancang platform hibrida generasi berikutnya sebagai sistem yang sepenuhnya modular dan serbaguna. Kepala pemrosesan dapat ditukar dengan cepat agar sesuai dengan kebutuhan yang berbeda. Teknik deposisi alternatif yang tersedia dapat mencakup fusi unggun serbuk laser, kelongsong laser serbuk yang ditiup, manufaktur aditif busur kawat, dan lainnya. Ukuran titik yang bervariasi, kekuatan laser, dan umpan bubuk mengoptimalkan deposisi untuk berbagai tugas. Sinar laser yang berbeda atau terfokus secara ketat melakukan tugas-tugas di luar pengendapan material dasar. Perangkat keras inspeksi dan probe sentuh memverifikasi hasil pada mesin. Kontrol menjadwalkan aditif multi-langkah, pemindaian, dan pengurutan subtraktif dengan mulus. Modularitas sistem yang tahan terhadap masa depan untuk menggabungkan teknologi baru. Ekosistem terbuka menarik inovator pihak ketiga, memperluas jangkauan manufaktur hibrida. Kekakuan inti memastikan presisi di tengah fleksibilitas modular.

Pengembangan Hibrida Masa Depan

Hibridisasi yang berkelanjutan akan menghasilkan aplikasi yang inovatif. Struktur mikro paduan multi-logam dapat bertransisi elemen demi elemen. Perubahan difusi dan komposisi material bergradasi muncul. Elemen fungsional yang tertanam seperti saluran pendingin konformal miniatur dan elektronik berpemilik menjalani fabrikasi di dalam mesin. Produksi seri mencapai prestasi ini. Perangkat lunak mengotomatiskan tugas-tugas manual untuk memaksimalkan kecerdikan manusia. Pembelajaran mesin mengoptimalkan proses, menghemat energi. Protokol keamanan terstandardisasi menjaga kekayaan intelektual yang sensitif dalam ekosistem digital kolaboratif. Dengan integrasi yang lebih erat di seluruh disiplin ilmu digital aditif, subtraktif, dan terkait, produksi hibrida multi-proses memetakan masa depan yang luas yang membentuk dunia kita melalui manufaktur yang memiliki kemampuan tanpa batas.

Kesimpulan

Manufaktur hibrida mewakili masa depan konvergen dari teknologi aditif dan subtraktif. Dengan mengintegrasikan teknik deposisi energi terarah seperti pelapisan laser secara langsung ke mesin CNC, produsen membuka potensi baru yang tidak dapat dicapai oleh sistem mandiri. Fitur internal yang kompleks, integrasi multi-material yang dilokalkan, dan aplikasi perbaikan komponen menjadi realitas industri. OEM terkemuka seperti Mitsui Seiki dan DMG Mori telah membangun kepemimpinan awal melalui perintis platform hibrida yang dibuat khusus. Desain modular mengintegrasikan kepala pemrosesan dengan mulus sebagai ekosistem multi-alat otomatis. Kontrol digital mengatur balet produksi aditif-subtraktif yang dikoreografikan secara rumit. Aplikasi dalam propulsi penerbangan, pencetakan, dan implan medis mengarah ke produksi seri. Meskipun masih merupakan bidang yang baru berkembang, manufaktur hibrida telah berkembang secara signifikan dalam beberapa tahun terakhir. Adopsi melacak pusat-pusat industri utama, menunjukkan relevansi tingkat produksi. Dialog teknis bergeser dari konsep umum ke penyempurnaan alur kerja terintegrasi di seluruh bahan dan norma industri tertentu. Perangkat lunak berperan dalam mengotomatisasi tugas-tugas yang dipelopori melalui pemrograman manual. Seiring dengan perkembangan bidang ini, banyak kemungkinan yang masih belum dieksplorasi. Paduan multi-logam, elektronik tertanam, dan perbaikan komponen otomatis menunjukkan apa yang mungkin muncul melalui hibridisasi disiplin aditif, subtraktif, dan digital. Ke depannya, produsen, peneliti, dan pengusaha terus merentangkan batas-batas teknis yang menginspirasi keajaiban inovasi produksi terintegrasi yang dapat membentuk industri dan masyarakat global.

Pertanyaan Umum

T: Industri apa yang paling baik dilayani oleh manufaktur hibrida?

J: Industri seperti kedirgantaraan, peralatan medis, pencetakan, dan lainnya yang memproduksi komponen kompleks bervolume rendah sangat diuntungkan. Perbaikan/pembuatan ulang aset seperti turbin juga memanfaatkan kemampuan hibrida.

T: Apa perbedaan sistem hibrida dengan peralatan aditif atau subtraktif dasar?

J: Sistem hibrida mengintegrasikan aditif laser/bubuk ke mesin CNC, menjalankan jalur pahat aditif-subtraktif yang mulus. Bagian-bagian dicetak kemudian dikerjakan pada satu platform dibandingkan dengan aditif terpisah kemudian langkah-langkah pemesinan.

T: Jenis fitur apa yang terbaik untuk manufaktur hibrida?

J: Struktur internal yang kompleks, integrasi multi-material, properti bertingkat dan perbaikan komponen sesuai dengan sistem hibrida. Bentuk eksternal yang sesuai dengan aditif dan pemesinan juga menguntungkan.

T: Bagaimana cara kerja perangkat lunak dan kontrol pada mesin hibrida?

J: Kembar digital mensimulasikan proses secara virtual. Mengontrol urutan langkah aditif-subtraktif atau mengganti kepala pemrosesan secara otomatis. Pemrograman menghasilkan jalur alat terintegrasi yang dioptimalkan dari CAD.

T: Bahan apa saja yang dapat diproses oleh sistem hibrida?

J: Meskipun berfokus pada pemrosesan logam seperti fusi tempat tidur serbuk laser dan kelongsong laser, mesin yang lebih baru mengintegrasikan polimer Pencetakan 3D juga. Berbagai macam logam, paduan dan komposit.

T: Bagaimana pengaruh tegangan sisa terhadap kualitas komponen hibrida?

J: Penyetelan parameter laser dan pemesinan yang dijadwalkan secara strategis, mengurangi risiko distorsi. Pemodelan proses termal di masa mendatang dapat mengoptimalkan jalur untuk meminimalkan tekanan.