Hybride CNC systemen: Een revolutie in additieve en subtractieve productie

Ontdek de voordelen van hybride CNC systemen die additieve en subtractieve productie naadloos integreren. Ontdek toepassingen, voordelen en toekomstige trends in industrieën zoals lucht- en ruimtevaart en medische apparatuur. Leer hoe toonaangevende fabrikanten deze innovatieve technologie bevorderen.

Hybride CNC systemen: Additieve en Subtractieve Productie combineren

Dit artikel geeft een uitgebreid overzicht van hybride fabricage, te beginnen met een inleiding tot hybride systemen en hun historische ontwikkeling. Het zet additief en subtractief produceren tegenover elkaar en bespreekt hun definities, processen en respectieve voor- en nadelen. De noodzaak van hybride systemen wordt onderzocht, waarbij de beperkingen van standalone technologieën en de voordelen van de integratie van beide methoden worden belicht. De belangrijkste voordelen van hybride systemen worden onderzocht, waaronder een grotere complexiteit en ontwerpvrijheid, gelokaliseerde materiaalafzetting, reparatiemogelijkheden voor onderdelen, afvalvermindering en toepassingen in tooling en productie van kleine aantallen. Het artikel gaat ook in op CNC 3D-printen, met details over de integratie van additieve processen op CNC-machines en de moderne hybride workflow. Verder worden de kenmerken van toonaangevende additief-subtractieve systemen besproken, met de nadruk op kerntechnologieën en componenten. Hybride reparatietechnologie wordt geïntroduceerd, waarbij de toepassingen in de ruimtevaart en hoogwaardige onderdelen worden getoond. Het concept van machinale bewerking met meerdere processen wordt ook verkend, met name de integratie van FDM op freesmachines en het ontwerp van modulaire hybride platforms. Vooruitkijkend naar de toekomst belicht het artikel opkomende toepassingen en innovaties in hybride productie, naast trends in software en automatisering. De conclusie vat de impact van hybride productie samen en biedt inzicht in toekomstige ontwikkelingen. Tot slot wordt in een FAQ-sectie ingegaan op veelgestelde vragen over hybride productie, met duidelijke antwoorden en verduidelijkingen.

Hybride productie is in opkomst als een geavanceerde ontwikkeling die de planmatige mogelijkheden van additieve productie combineert met de nauwkeurigheid en hoge efficiëntie van subtractieve bewerkingsprocessen. Door het coördineren van gecoördineerde procedures voor energieverklaring, bijvoorbeeld lasercladding zonder omwegen op mathematisch bestuurde (CNC) PC-machines, kunnen producenten de twee ontwikkelingen op een volledig geïntegreerde manier gebruiken. Vroege pogingen tot hybride productie bestonden uit het achteraf uitrusten van bestaande CNC-machines met additieven. Echte synergie wordt echter bereikt met speciaal gebouwde systemen die van de grond af aan ontworpen zijn voor naadloze integratie van additieve en subtractieve productieworkflows. Toonaangevende OEM's zoals Mitsui Seiki en DMG Mori hebben geavanceerde hybride platforms ontwikkeld die laserkoppen en poederspuitmonden op dezelfde manier op machinespindels monteren als gewone snijgereedschappen. Wanneer additieve en subtractieve processen gecombineerd worden op een geoptimaliseerd hybride platform, ontstaan er nieuwe mogelijkheden. Complexe interne geometrieën kunnen gemaakt worden met behoud van nauwe toleranties door de daaropvolgende bewerking. Gelokaliseerde depositie van meerdere materialen en reparatie van onderdelen zijn ook mogelijk. Dit artikel gaat in op de technische aspecten en industriële implementaties van hybride productie. Het behandelt het geïntegreerde systeemontwerp, de kernintegratie van additieve en subtractieve processen, toepassingen in industrieën zoals de luchtvaart en een vooruitblik op de toekomst van multi-proces productie.

Hybride productie is een zich ontwikkelend patroon volgens informatieonderzoek. De zoekresultaten voor "Hybride productie" begonnen in 2016 te stijgen en zijn vanaf dat moment constant blijven stijgen. Dit komt overeen met het feit dat belangrijke fabrikanten van machine-instrumenten, zoals Mitsui Seiki en DMG Mori, rond 2015-2016 hun meest gedenkwaardige economisch toegankelijke crossover frameworks leverden. Verwante zoektermen zoals "additief-subtractief produceren" en "CNC 3D printen"hebben in de loop van de afgelopen jaren een vergelijkbare stijgende lijn in zoekvolume gevolgd. Provinciale interesse toont ook aan dat halfbloedproductie wereldwijd aandacht krijgt. De VS, Duitsland en Japan hebben tot nu toe het grootste deel van het zoekvolume voor hun rekening genomen, mogelijk door de ontvangst van OEM's in de luchtvaart/autoindustrie en hun voorraadketens in deze landen. India heeft zich ook opgeworpen als een snel groeiende markt voor crossover-innovatieaanvragen. Op het niveau van staten/locaties in grotere landen liggen de zoekontwerpen op één lijn met de belangrijkste moderne productiecentra. In de VS staan Californië, Washington en Michigan bovenaan. In Duitsland is de belangstelling gericht op Baden-Württemberg, Nedersaksen en Noordrijn-Westfalen. Dit komt overeen met de groepering van luchtvaart-, ontwerp- en productiebedrijven die nieuwe, half-ras open deuren omarmen. Een algemene analyse bevestigt de groeiende interesse in hybride productietechnologieën wereldwijd in de afgelopen jaren. De bredere toegang tot ondersteunende systemen voorspelt een verdere expansie naarmate er meer toepassingen komen in verschillende sectoren.

Hybride productie

Additieve vs. subtractieve productie

Additieve fabricage, bijvoorbeeld lasersinteren, fabriceert onderdelen laag voor laag door materiaal zoals plastic of metaalpoeders samen te smelten. Daarentegen gebruikt subtractieve productie methodes zoals CNC-bewerking (PC mathematical control) om materiaal van een sterk blok of voorvorm te verwijderen of te pletten om een gegoten onderdeel te maken. Beide benaderingen hebben voor- en nadelen. Additive manufacturing maakt complexe interne kenmerken en ontwerpvrijheid mogelijk omdat het werkt door geleidelijk materiaal toe te voegen. De oppervlakteafwerking is echter vaak ruw met zichtbare laaglijnen. Het is ook langzamer dan subtractieve processen. Subtractieve productie biedt een goede maatnauwkeurigheid en oppervlakteafwerking door voorvormen te bewerken. Maar het heeft moeite met hoge geometrische complexiteit en er gaat meer materiaal verloren.

De behoefte aan hybride systemen

Om de beperkingen van standalone additieve en subtractieve systemen te overwinnen, brengen hybride systemen de twee benaderingen samen. Dit maakt het mogelijk om van beide te profiteren binnen één enkel productieproces en één enkele machine. Hybride systemen integreren verschillende opties voor het toevoegen en verwijderen van materiaal, waardoor nieuwe functionaliteiten mogelijk worden. Door de processen te combineren, pakt hybride fabricage problemen aan zoals slechte oppervlakteafwerking bij additieve fabricage. Het lost ook subtractieve fabricageproblemen met ingewikkelde interne structuren op. Op een hybride platform kunnen onderdelen naar behoefte afwisselend worden toegevoegd en bewerkt voor snelheid, precisie of voordelen op het gebied van materiaaleigenschappen.

Voordelen van hybride systemen

Verhoogde complexiteit

Interne kanalen, raster- of celstructuren worden mogelijk omdat lagen in preforms geplaatst kunnen worden met additieve technieken.

Gelokaliseerde materiaalafzetting

Verschillende materialen kunnen in aangepaste patronen worden afgezet, waardoor onderdelen van meerdere materialen of met een functionele gradatie mogelijk worden.

Onderdeel Reparatie

Beschadigde onderdelen kunnen hersteld worden door versleten gebieden opnieuw op te bouwen door middel van additieve afzetting gevolgd door machinale bewerking.

Afvalvermindering

Er gaat minder grondstof verloren in vergelijking met de bewerking van massieve vormstukken, omdat additieven in poedervorm alleen de benodigde materiaalhoeveelheden gebruiken.

Toepassingen voor gereedschappen

Mallen, matrijzen en armaturen kunnen goedkopere metaalpoeders gebruiken, terwijl bewerkte frezen voor de benodigde oppervlakteafwerking zorgen.

Productie van kleine volumes

Hybride systemen verhogen de efficiëntie voor complexe, op maat gemaakte onderdelen of onderdelen in kleine aantallen, die anders met lange doorlooptijden te maken krijgen bij traditionele machinale bewerking.

Medische implantaten

Additieve/subtractieve integratie van biocompatibele materialen produceert ingewikkelde, gepersonaliseerde medische implantaten en prothesen.

CNC 3D Afdrukken

Additief integreren in CNC-machines

De eerste pogingen tot hybride systemen bestonden uit het achteraf uitrusten van bestaande CNC frees- of draaibankmachines met additieve productiemogelijkheden. Dit werd gedaan door depositieapparatuur zoals lasers en poederaanvoer direct op de spindels van de machine te monteren. Deze eerste aanpassingen hadden echter problemen door de niet-optimale integratie van additieve hardware. Ook ontbrak het aan echte procesintegratie waarbij printen en machinaal bewerken elkaar naadloos afwisselden onder gecoördineerde besturing. Moderne hybride systemen hebben elegantere oplossingen. Fabrikanten zoals Mitsui Seiki ontwerpen machines vanaf de grond af aan voor volledig geïntegreerde additieve-subtractieve workflows. Lasers en spuitmonden zijn ontworpen om net als gewone freesgereedschappen gemonteerd en verwisseld te worden. Poeder- en energietoevoer kunnen automatisch snel gekoppeld worden aan de kop voor gestroomlijnde materiaaldepositie.

Hybride procesworkflow

Een digital twin of virtueel simulatiemodel vormt de basis voor een hybride productieproces op deze geïntegreerde machines. Een onderdeel wordt eerst gescand met een laserscanner en de scangegevens worden digitaal vergeleken met een versie van het CAD-model. Procesplanningssoftware genereert dan automatisch additieve gereedschapspaden voor het aanbrengen van deklagen, samen met subtractieve gereedschapspaden voor eventuele volgende bewerkingsstappen. Deze gereedschapsbanen worden naar een centrale besturing gestuurd die toezicht houdt op de geautomatiseerde apparatuur. Het onderdeel wordt opeenvolgend vervaardigd, inclusief materiaaldepositie, machinale bewerking, meer additieve materiaaldepositie en verdere iteraties van machinale bewerking totdat het volledig klaar is. Procesbewaking met sensoren zorgt voor maatnauwkeurigheid en thermische controle.

Toepassingen van CNC 3D Printing

Tot de belangrijkste toepassingen die tot nu toe met hybride systemen zijn gedemonstreerd, behoren de reparatie van versleten luchtvaartonderdelen zoals gasturbinebladen. De mogelijkheid om beschadigde gebieden te reconstrueren door middel van lokale afzetting, onmiddellijk gevolgd door machinale bewerking, maakt deze toepassing zeer geschikt. Andere toepassingen zijn het maken van onderdelen met complexe geometrieën die niet mogelijk zijn met alleen machinale bewerking, zoals ingekapselde onderdelen met poreuze roosterstructuren. Onderdelen met meerdere materialen maken ook gebruik van hybride additieve-subtractieve materiaalintegratiemogelijkheden. In het algemeen ontsluiten hybride machines, door lasergebaseerde additieve productie direct te combineren met CNC-verspanende bewerkingen met hoge precisie, nieuwe ontwerpvrijheden en productiviteitswinsten in vergelijking met standalone systemen. Ze combineren het beste van zowel additieve als subtractieve productietechnologieën.

Additief-Subtractieve Systemen

Depositie integreren op bewerkingsmachines

Toonaangevende fabrikanten van bewerkingsmachines hebben geavanceerde hybride systemen ontwikkeld die additieve productiemogelijkheden direct integreren in apparatuur voor subtractieve productie. In plaats van lasers achteraf toe te voegen als eenvoudige bolt-on toevoegingen, zijn deze hybride machines speciaal gebouwd voor naadloze integratie van additieve en subtractieve processen. Mitsui Seiki ontwerpt haar hybride systemen vanaf de basis. Lasers en poederspuitmonden zijn ontworpen om precies op de machinespindels gemonteerd te worden, net als gewone snijgereedschappen. Poederspuitmonden worden automatisch via snelkoppelingen gekoppeld aan laserenergie- en poedertoevoerdelen. Door integratie op dit niveau te ontwerpen, kunnen additieve-subtractieve processen elkaar echt afwisselen onder één besturingsstroom. Andere vooraanstaande fabrikanten zoals DMG Mori, Mazak en Trumpf bieden ook speciale hybride platforms aan. Sommige integreren selectief lasersmelten, terwijl andere zich specifiek richten op gesmolten-filament fabricage of gerichte energieafzettingstechnieken zoals lasercladding. Er bestaan ook draai-freesmachines voor rotatiesymmetrische onderdelen.

Belangrijkste systeemonderdelen

Naast strak geïntegreerde lasers en poederapparatuur combineren hybride systemen diverse andere kerntechnologieën: Meerassige spindels en bewegingsbesturing voor toegang tot 5-zijdige werkstukken. Behuizingen die een inerte atmosfeer handhaven voor reactieve materialen. Scanners digitaliseren onderdelen en coderen oppervlaktetekeningen. Meettasters die de nauwkeurigheid en toleranties controleren. Modulaire software die naadloos additieve-subtractieve gereedschapspaden programmeert. Procesbewaking met sensoren en geïntegreerde defectdetectie. Samen maken deze hybride machines het mogelijk om complexe metalen onderdelen te vervaardigen die geschikt zijn voor de ruimtevaart, energie en andere missiekritische toepassingen.

Hybride Reparatietechnologie

Een gespecialiseerd gebruik van hybride mogelijkheden betreft de reparatie en reconstructie van hoogwaardige onderdelen. Complexe turbineschoepen, waaiers en andere beschadigde luchtvaartonderdelen kunnen nu worden gerepareerd via lokale additieve depositie en subtractieve nabewerking van opgevulde gebieden. Door scans van versleten onderdelen te vergelijken met CAD-modellen, genereren hybride systemen automatisch toolpaths die ontbrekende volumes laag voor laag reconstrueren. Onmiddellijk daaropvolgende bewerkingen leveren de uiteindelijke gerepareerde afmetingen en oppervlakteafwerkingen op, waardoor afzonderlijke setups vermeden worden. Deze toepassing, hybride reparatietechnologie genaamd, maakt gebruik van de combinatie van scannen, additive manufacturing en CNC-verspaning binnen speciale platforms. Het vertegenwoordigt de industriële gereedheid voor hybride productie om ultra-precieze onderdelen te redden die anders tegen vervangingskosten aanlopen.

Voorbeelden van hybride mogelijkheden

Speciale platforms van Mitsui Seiki, DMG Mori en anderen demonstreren mogelijkheden zoals de productie van turbinebehuizingen met integrale koelkanalen. Er ontstaan gietstructuren met interne kanalen die anders moeilijk te bewerken zijn. Laserdepositie gevolgd door frezen produceert ook onderdelen met flenzen en overhangende delen in één bewerking. Coatings aangebracht via draadafzetting verhogen de veerkracht van onderdelen. Roterende onderdelen ontstaan uit innovatieve hybride draai-freesontwerpen in één opspanning. Samen illustreren deze de voordelen van hybride additieve-subtractieve materiaalintegratie.

Multi-procesbewerking

FDM integreren op freesmachines

Terwijl de meeste hybride systemen zich richten op metalen, hebben sommige fabrikanten hybride platforms ontwikkeld die op polymeer gebaseerd FDM (Fused Deposition Modeling) 3D-printen integreren op CNC-freesmachines. FDM-koppen worden naast snijgereedschappen op de spindels van freesmachines gemonteerd. Dit maakt het mogelijk om eerst thermoplastische onderdelen te printen en dan direct over te gaan op subtractieve bewerking indien nodig. Krimpcompensatie en spanningen bij de afwerking worden inline mogelijk in plaats van als een post-proces. Overhangende delen waarvoor voorheen ondersteunende structuren nodig waren, kunnen nu zonder ondersteuningen additief gefabriceerd worden. Metalen zoals titanium kunnen ook worden ingebed in 3D-geprinte polymeren met behulp van additief-subtractieve coördinatie om de uiteindelijke toepassingen te versterken.

Een modulair hybride platform ontwerpen

Toonaangevende machinebouwers ontwerpen de volgende generatie hybride platforms als volledig modulaire, veelzijdige systemen. Bewerkingskoppen kunnen snel verwisseld worden om aan verschillende behoeften te voldoen. Alternatieve depositietechnieken zijn bijvoorbeeld laser-poederbedfusie, poeder-lasercladding, draadboog additieve productie en andere. Variabele spotgroottes, laservermogens en poedertoevoeren optimaliseren de depositie voor taken. Afwijkende of strak gefocuste laserstralen voeren taken uit die verder gaan dan het afzetten van basismateriaal. Inspectiehardware en tasters controleren de resultaten op de machine. Besturingen plannen naadloos meerstaps additieve, scannende en subtractieve opeenvolgingen. Modulariteit maakt systemen klaar voor de toekomst om opkomende technologieën te integreren. Open ecosystemen trekken innovators van derden aan, waardoor het bereik van hybride productie toeneemt. Stijfheid van de kern garandeert precisie temidden van modulaire flexibiliteit.

Toekomstige hybride ontwikkeling

Verdere hybridisatie zal baanbrekende toepassingen opleveren. De microstructuur van multi-metaallegeringen kan element voor element veranderen. Diffusieveranderingen en gegradeerde materiaalsamenstellingen ontstaan. Ingebedde functionele elementen zoals miniatuur conforme koellijnen en eigen elektronica worden op de machine gefabriceerd. Serieproductie bereikt deze hoogstandjes. Software automatiseert handmatige taken om de menselijke vindingrijkheid te maximaliseren. Machine learning optimaliseert processen en spaart energie. Gestandaardiseerde beveiligingsprotocollen beschermen gevoelige intellectuele eigendom binnen samenwerkende digitale ecosystemen. Met een hechtere integratie tussen additieve, subtractieve en aanverwante digitale disciplines, zet hybride productie met meerdere processen een expansieve toekomst in de steigers die onze wereld vormgeeft door grenzeloos capabele productie.

Conclusie

Hybride productie vertegenwoordigt de toekomst van additieve en subtractieve technologieën. Door afzettingstechnieken met gerichte energie, zoals lasercladding, rechtstreeks op CNC-machines te integreren, ontsluiten fabrikanten nieuwe mogelijkheden die standalone systemen niet zouden kunnen bereiken. Complexe interne kenmerken, gelokaliseerde multimateriaalintegratie en onderdelenreparatietoepassingen worden industriële realiteiten. Toonaangevende OEM's zoals Mitsui Seiki en DMG Mori zijn al vroeg toonaangevend geworden door hun baanbrekende speciaal gebouwde hybride platforms. Modulaire ontwerpen integreren bewerkingskoppen naadloos als een geautomatiseerd multi-tool ecosysteem. Digitale besturing orkestreert ingewikkeld gechoreografeerde additieve-subtractieve productieballetten. Toepassingen in vliegtuigaandrijving, spuitgieten en medische implantaten komen in de buurt van serieproductie. Hoewel hybride productie nog steeds een opkomend gebied is, is het de afgelopen jaren al aanzienlijk volwassener geworden. De adoptie volgt grote industriële centra en toont de relevantie op productieniveau. De technische dialoog verschuift van algemene concepten naar het verfijnen van geïntegreerde workflows voor specifieke materialen en industrienormen. Software speelt een inhaalslag door taken te automatiseren die met handmatige programmering werden uitgevoerd. Terwijl het veld zich verder ontwikkelt, blijven veel mogelijkheden onontgonnen. Multi-metaallegeringen, ingebedde elektronica en geautomatiseerde reparatie van onderdelen zijn een voorbode van wat er kan ontstaan door additieve, subtractieve en digitale disciplines te combineren. Vooruitkijkend gaan fabrikanten, onderzoekers en ondernemers door met het verleggen van de technische grenzen, waardoor ze zich blijven verbazen over welke geïntegreerde productie-innovaties de wereldwijde industrie en maatschappij vorm kunnen geven.

FAQs

V: Voor welke industrieën is hybride productie het meest geschikt?

A: Industrieën zoals lucht- en ruimtevaart, medische apparatuur, spuitgieten en andere sectoren die complexe onderdelen in kleine aantallen produceren, hebben hier veel baat bij. De reparatie/revisie van activa zoals turbines maakt ook gebruik van hybride mogelijkheden.

V: Waarin verschilt een hybride systeem van standaard additieve of subtractieve apparatuur?

A: Hybride systemen integreren laser-/poedertoevoeging op CNC-machines en voeren naadloze additief-subtractieve gereedschapspaden uit. Onderdelen worden geprint en vervolgens machinaal bewerkt op één platform in plaats van afzonderlijke additieve en machinale bewerkingsstappen.

V: Welke functies zijn het beste voor hybride productie?

A: Complexe interne structuren, integratie van meerdere materialen, gesorteerde eigenschappen en reparatie van onderdelen passen bij hybride systemen. Ook externe vormen die geschikt zijn voor zowel additieve als machinale bewerking profiteren hiervan.

V: Hoe werken software en besturing op hybride machines?

A: Digitale tweelingen simuleren processen virtueel. Besturingselementen volgen additieve-subtractieve stappen op elkaar of schakelen automatisch tussen bewerkingskoppen. Programmering genereert geoptimaliseerde geïntegreerde gereedschapspaden vanuit CAD.

V: Welke materialen kunnen hybride systemen verwerken?

A: Hoewel ze gericht zijn op metaalverwerking zoals laserpoederbedfusie en lasercladding, integreren nieuwere machines polymeer 3D afdrukken ook. Veel metalen, legeringen en composieten mogelijk.

V: Welke invloed hebben restspanningen op de kwaliteit van hybride onderdelen?

A: Het nauwkeurig afstellen van laserparameters en strategisch geplande bewerkingen vermindert het risico op vervorming. Toekomstige thermische procesmodellering kan trajecten optimaliseren om spanningen te minimaliseren.