Гибридные системы ЧПУ: Революция в аддитивном и субтрактивном производстве

Откройте для себя преимущества Гибридные системы ЧПУ в которых органично сочетаются аддитивное и субтрактивное производство. Изучите области применения, преимущества и будущие тенденции в таких отраслях, как аэрокосмическая промышленность и медицинское оборудование. Узнайте, как ведущие производители продвигают эту инновационную технологию.

Гибридные системы ЧПУ: Сочетание аддитивного и субтрактивного производства

В этой статье представлен всеобъемлющий обзор гибридного производства, начиная с введения в гибридные системы и их исторического развития. В ней противопоставляются аддитивное и субтрактивное производство, обсуждаются их определения, процессы, а также соответствующие преимущества и недостатки. Исследуется необходимость гибридных систем, подчеркиваются ограничения отдельных технологий и преимущества интеграции обоих методов. Рассматриваются ключевые преимущества гибридных систем, включая повышение сложности и свободы дизайна, локальное нанесение материала, возможность ремонта деталей, сокращение отходов, а также применение в оснастке и малосерийном производстве. В статье также рассматривается 3D-печать с ЧПУ, подробно описывается интеграция аддитивных процессов в станки с ЧПУ и современный гибридный рабочий процесс. Далее в статье рассматриваются особенности ведущих аддитивно-субтрактивных систем, подчеркиваются основные технологии и компоненты. Представлена технология гибридного ремонта, демонстрирующая ее применение в аэрокосмической отрасли и при изготовлении дорогостоящих деталей. Также рассматривается концепция многопроцессной обработки, в частности, интеграция FDM в фрезерные станки и проектирование модульных гибридных платформ. Заглядывая в будущее, статья освещает новые приложения и инновации в гибридном производстве, а также тенденции в области программного обеспечения и автоматизации. В заключении подводится итог влияния гибридного производства и предлагаются идеи относительно будущего развития. Наконец, в разделе FAQ рассматриваются общие вопросы, касающиеся гибридного производства, даются четкие ответы и разъяснения.

Гибридное производство - это современное направление, которое объединяет возможности аддитивного производства с точностью и высокой эффективностью субтрактивных процессов обработки. Координируя согласованные процедуры выработки энергии, например, лазерную наплавку, прямо на станки с математическим управлением (ЧПУ), производители могут использовать эти два достижения полностью интегрированным способом. Ранние попытки гибридного производства заключались в дооснащении существующих станков с ЧПУ возможностями добавок. Однако настоящий синергетический эффект достигается благодаря специально разработанным системам, созданным с нуля для бесшовной интеграции рабочих процессов аддитивного и субтрактивного производства. Ведущие OEM-производители, такие как Mitsui Seiki и DMG Mori разработали сложные гибридные платформы, которые устанавливают лазерные головки и сопла для подачи порошка на шпиндели станков так же, как и обычные режущие инструменты. Когда аддитивные и субтрактивные процессы объединяются на оптимизированной гибридной платформе, появляются новые возможности. Можно создавать сложные внутренние геометрии, сохраняя жесткие допуски при последующей механической обработке. Также появляется возможность локального нанесения нескольких материалов и ремонта деталей. В этой статье мы рассмотрим технические аспекты и промышленные реализации гибридного производства. В ней будут рассмотрены интегрированный дизайн систем, интеграция основных аддитивных и субтрактивных процессов, применение в таких отраслях, как аэрокосмическая промышленность, и перспективы многопроцессного производства в будущем.

Гибридное производство - это развивающаяся модель, согласно информационному исследованию. В 2016 г. начался рост запросов на "гибридное производство", и с тех пор они продолжают расти. Это совпадает с тем, что такие крупные производители машинного оборудования, как Mitsui Seiki и DMG Mori, представили свои самые запоминающиеся экономически доступные кроссоверные системы примерно в 2015-2016 гг. Смежные поисковые запросы, такие как "аддитивно-субтрактивное производство" и "3D-печать с ЧПУ" в течение последних лет следовали аналогичному направлению роста объема поиска. Провинциальный интерес дополнительно свидетельствует о том, что производство полуфабрикатов становится все более популярным во всем мире. США, Германия и Япония в значительной степени определяют объемы поиска на сегодняшний день, что, возможно, обусловлено приемом среди авиационных/автомобильных OEM-производителей и их складских цепочек в этих странах. Индия также стала быстро растущим рынком для инновационных запросов на кроссоверы. На уровне штатов/мест в больших странах поисковые проекты совпадают с основными современными производственными центрами. В США Калифорния, Вашингтон и Мичиган занимают лидирующие позиции. В Германии интерес проявляется к Баден-Вюртембергу, Нижней Саксонии и Северной Рейн-Вестфалии. Это соответствует группе авиационных, конструкторских и производственных предприятий, которые открывают для себя новые полупрозрачные двери. Общий анализ подтверждает растущий интерес и распространение гибридных производственных технологий по всему миру в последние годы. Расширение доступа к вспомогательным системам предвещает дальнейшее развитие по мере появления все большего числа приложений в различных отраслях.

Гибридное производство

Аддитивное и субтрактивное производство

Аддитивное производство, например, лазерное спекание, изготавливает детали слой за слоем путем скрепления таких материалов, как пластик или металлические порошки. Субтрактивное производство использует такие методы, как математическая обработка с ЧПУ, для удаления или измельчения материала из прочного блока или преформы для изготовления формованной детали. Оба подхода имеют свои плюсы и минусы. Аддитивное производство позволяет создавать сложные внутренние элементы и свободу дизайна, поскольку оно работает путем постепенного добавления материала. Однако поверхность деталей, как правило, получается грубой, с видимыми линиями слоев. Оно также медленнее, чем субтрактивные процессы. Субтрактивное производство обеспечивает хорошую точность размеров и чистоту поверхности при обработке заготовок. Но оно не справляется с высокой геометрической сложностью, и больше материала уходит в отходы.

Потребность в гибридных системах

Чтобы преодолеть ограничения автономных аддитивных и субтрактивных технологий, гибридные системы объединяют эти два подхода. Это позволяет использовать преимущества обоих подходов в рамках одного производственного процесса и машины. Гибридные системы объединяют различные варианты добавления и удаления материала, открывая новые функциональные возможности. Сочетая эти процессы, гибридное производство решает такие проблемы, как плохая обработка поверхности при аддитивном производстве. Оно также решает проблемы субтрактивного производства, связанные со сложными внутренними структурами. На гибридной платформе элементы могут попеременно добавляться и обрабатываться по мере необходимости для повышения скорости, точности или улучшения свойств материала.

Преимущества гибридных систем

Повышенная сложность

Внутренние каналы, решетчатые или ячеистые структуры становятся возможными, поскольку слои могут быть размещены внутри преформ с помощью аддитивных технологий.

Локализованное осаждение материала

Различные материалы могут быть нанесены по индивидуальным шаблонам, что позволяет изготавливать детали из нескольких материалов или с функциональными градациями.

Ремонт деталей

Поврежденные компоненты могут быть восстановлены путем восстановления изношенных участков с помощью аддитивного осаждения с последующей механической обработкой.

Сокращение отходов

Меньше сырья уходит в отходы по сравнению с обработкой цельных заготовок, так как при добавлении порошка используется только необходимое количество материала.

Применение инструментов

Для изготовления пресс-форм, штампов и приспособлений можно использовать более дешевые металлические порошки, а встроенные фрезы обеспечивают необходимую чистоту поверхности.

Малосерийное производство

Гибридные системы повышают эффективность работы со сложными, индивидуальными или малосерийными деталями, которые в противном случае требуют длительного времени на изготовление при традиционной обработке.

Медицинские имплантаты

Аддитивная/субтрактивная интеграция биосовместимых материалов позволяет создавать сложные, персонализированные медицинские имплантаты и протезы.

3D-печать с ЧПУ

Интеграция аддитивных технологий в станки с ЧПУ

Первые попытки создания гибридных систем заключались в дооснащении существующих фрезерных или токарных станков с ЧПУ возможностями аддитивного производства. Это делалось путем установки оборудования для осаждения, такого как лазеры и устройства подачи порошка, непосредственно на шпиндели станков. Однако эти первоначальные модернизации были сопряжены с проблемами из-за неоптимальной интеграции аддитивного оборудования. Им также не хватало настоящей интеграции процессов, при которой печать и обработка могли бы плавно чередоваться под согласованным контролем. Современные гибридные системы имеют более элегантные решения. Такие производители, как Mitsui Seiki, разрабатывают машины с нуля для полностью интегрированных аддитивно-субтрактивных рабочих процессов. Лазеры и сопла устанавливаются и заменяются так же, как и обычные фрезы. Подачи порошка и энергии могут автоматически подсоединяться к головке для ускоренного нанесения материала.

Гибридный рабочий процесс

Цифровой двойник или виртуальная имитационная модель формирует основу для гибридного производственного процесса на этих интегрированных станках. Сначала деталь сканируется с помощью лазерного сканера, и данные сканирования сравниваются в цифровом виде с версией CAD-модели. Затем программное обеспечение для планирования процесса автоматически генерирует аддитивные траектории инструментов для осаждения, а также субтрактивные траектории инструментов для всех последующих этапов обработки. Эти траектории инструментов поступают в центральный контроллер, управляющий автоматизированным оборудованием. Деталь проходит последовательное изготовление, включая нанесение материала, механическую обработку элементов, еще одно нанесение аддитивного материала и последующие итерации механической обработки до полного завершения. Контроль процесса с помощью датчиков обеспечивает точность размеров и тепловой контроль на протяжении всего процесса.

Области применения 3D-печати с ЧПУ

Основные области применения гибридных систем, продемонстрированные на сегодняшний день, включают ремонт изношенных аэрокосмических компонентов, таких как лопатки газовых турбин. Возможность восстановления поврежденных участков путем локального осаждения с последующей обработкой делает эту область применения очень подходящей. Другие области применения включают создание деталей со сложной геометрией, невозможной только при механической обработке, например, деталей с пористой решетчатой структурой. Детали из нескольких материалов также используют возможности гибридной аддитивно-субтрактивной интеграции материалов. В целом, объединяя лазерное аддитивное производство непосредственно с высокоточными операциями обработки на станках с ЧПУ, гибридные станки открывают новые возможности для дизайна и повышают производительность по сравнению с автономными системами. Они сочетают в себе лучшее от аддитивных и субтрактивных технологий производства.

Аддитивно-субтрактивные системы

Интеграция осаждения на станки

Ведущие производители станков разработали сложные гибридные системы, которые интегрируют возможности аддитивного производства непосредственно в оборудование для субтрактивного производства. Вместо того чтобы устанавливать лазеры в качестве простого дополнительного оборудования, эти гибридные станки специально разработаны для бесшовной интеграции аддитивных и субтрактивных процессов. Mitsui Seiki разрабатывает свои гибридные системы с нуля. Лазеры и порошковые сопла спроектированы таким образом, чтобы точно крепиться к шпинделю станка, как и обычные режущие инструменты. Сопла автоматически соединяются через быстроразъемные интерфейсы с деталями подачи лазерной энергии и порошка. Благодаря интеграции на этом уровне аддитивные и субтрактивные процессы могут действительно чередоваться под единым потоком управления. Другие известные производители, такие как DMG Mori, Mazak и Trumpf, также предлагают специальные гибридные платформы. Некоторые из них интегрируют селективное лазерное плавление, в то время как другие фокусируются на изготовлении с использованием плавленой нити или методах направленного энергетического осаждения, таких как лазерная наплавка. Токарно-фрезерные станки также существуют для вращательно-симметричных деталей.

Ключевые компоненты системы

Помимо тесно интегрированных лазеров и порошкового оборудования, гибридные системы сочетают в себе еще несколько основных технологий: Многоосевые шпиндели и управление движением для 5-стороннего доступа к деталям. Корпуса, поддерживающие инертную атмосферу для реактивных материалов. Сканеры, оцифровывающие детали и кодирующие подписи на поверхности. Сенсорные датчики, проверяющие точность и допуски. Модульное программное обеспечение, позволяющее программировать траектории аддитивно-субтрактивных инструментов. Мониторинг процесса с помощью датчиков и встроенных средств обнаружения дефектов. В совокупности все это позволяет гибридным станкам производить сложные металлические компоненты, подходящие для аэрокосмической промышленности, энергетики и других критически важных применений.

Гибридная технология ремонта

Особое применение гибридных возможностей связано с ремонтом и восстановлением дорогостоящих деталей. Сложные лопасти турбин, крыльчатки и другие поврежденные аэрокосмические компоненты теперь могут быть восстановлены с помощью локального аддитивного осаждения и субтрактивной постобработки заполненных участков. Сравнивая сканы изношенных деталей с моделями CAD, гибридные системы автоматически генерируют траектории инструментов, которые послойно восстанавливают недостающие объемы. Немедленная последующая обработка позволяет получить окончательные восстановленные размеры и чистоту поверхности, избегая отдельных установок. Это приложение, называемое гибридной технологией ремонта, использует комбинацию сканирования, аддитивного производства и обработки на станках с ЧПУ в рамках специализированных платформ. Она представляет собой промышленную готовность к гибридному производству для спасения сверхточных компонентов, которые в противном случае потребуют затрат на замену.

Примеры гибридных возможностей

Специализированные платформы от Mitsui Seiki, DMG Mori и других компаний демонстрируют такие возможности, как производство корпусов турбин со встроенными каналами охлаждения. Отлитые конструкции получаются с внутренними каналами, которые иначе сложно обработать. Лазерное напыление с последующим фрезерованием также позволяет изготавливать фланцевые детали с выступами за одну операцию. Покрытия, нанесенные методом проволочного осаждения, повышают прочность деталей. Вращающиеся детали получаются из инновационных гибридных конструкций токарно-фрезерного станка за один зажим. Все это в совокупности демонстрирует преимущества гибридной аддитивно-субтрактивной интеграции материалов.

Многопроцессная обработка

Интеграция FDM в фрезерные станки

В то время как большинство гибридных систем ориентировано на металлические материалы, некоторые производители разработали гибридные платформы, интегрирующие 3D-печать на основе полимеров методом моделирования методом плавления осаждения (FDM) в фрезерные станки с ЧПУ. Головки FDM устанавливаются на шпиндели фрезерных станков вместе с режущими инструментами. Это позволяет сначала печатать термопластичные детали, а затем при необходимости переходить к субтрактивной обработке. Финишная компенсация усадки и напряжений становится возможной в процессе печати, а не после нее. Свесы, которые раньше требовали опорных конструкций, могут быть изготовлены аддитивным способом без опор. Металлы, такие как титан, также могут быть внедрены в 3D-печатные полимеры с помощью аддитивно-субтрактивной координации для усиления конечного применения.

Проектирование модульной гибридной платформы

Ведущие производители оборудования разрабатывают гибридные платформы нового поколения как полностью модульные, универсальные системы. Технологические головки быстро заменяются для удовлетворения различных потребностей. Альтернативные технологии осаждения могут включать лазерное наплавление порошка, лазерную наплавку с раздувом порошка, аддитивное производство с использованием проволочной дуги и другие. Изменяемые размеры пятна, мощность лазера и подача порошка оптимизируют процесс осаждения в соответствии с поставленными задачами. Расходящиеся или плотно сфокусированные лазерные лучи выполняют задачи, выходящие за рамки базового осаждения материала. Контрольное оборудование и сенсорные датчики проверяют результаты на станке. Системы управления плавно планируют многоступенчатую последовательность аддитивных, сканирующих и субтрактивных операций. Модульность обеспечивает перспективность систем для внедрения новых технологий. Открытые экосистемы привлекают сторонних инноваторов, расширяя сферу применения гибридного производства. Жесткость основы обеспечивает точность при модульной гибкости.

Будущие гибридные разработки

Продолжающаяся гибридизация приведет к созданию революционных приложений. Микроструктура мультиметаллических сплавов может меняться элемент за элементом. Появятся диффузионные изменения и градиентные составы материалов. Встроенные функциональные элементы, такие как миниатюрные конформные линии охлаждения и собственная электроника, изготавливаются на станке. Серийное производство позволяет достичь этих успехов. Программное обеспечение автоматизирует ручные задачи, чтобы максимально использовать человеческую изобретательность. Машинное обучение оптимизирует процессы, экономя энергию. Стандартизированные протоколы безопасности сохраняют конфиденциальную интеллектуальную собственность в рамках совместных цифровых экосистем. Благодаря более тесной интеграции аддитивных, субтрактивных и смежных цифровых дисциплин, многопроцессное гибридное производство прокладывает дорогу в будущее, формируя наш мир благодаря безграничным возможностям производства.

Заключение

Гибридное производство - это будущее аддитивных и субтрактивных технологий. Интегрируя технологии направленного осаждения энергии, такие как лазерная наплавка, непосредственно в станки с ЧПУ, производители раскрывают новые возможности, которых не могут достичь автономные системы. Сложные внутренние элементы, локализованная интеграция нескольких материалов и ремонт деталей становятся промышленной реальностью. Ведущие OEM-производители, такие как Mitsui Seiki и DMG Mori, заняли лидирующие позиции благодаря новаторским специально разработанным гибридным платформам. Модульные конструкции объединяют обрабатывающие головки в автоматизированную многофункциональную экосистему. Цифровое управление организует сложный хореографический балет аддитивно-субтрактивного производства. Приложения в области силовых установок, формовки и медицинских имплантатов приближаются к серийному производству. Несмотря на то, что гибридное производство все еще находится в стадии становления, за последние годы оно значительно развилось. Его внедряют крупные промышленные центры, демонстрируя актуальность на уровне производства. Технический диалог переходит от общих концепций к совершенствованию интегрированных рабочих процессов для конкретных материалов и отраслевых норм. Программное обеспечение играет в догонялки, автоматизируя задачи, которые впервые были решены с помощью ручного программирования. По мере дальнейшего развития этой области многие возможности остаются неизученными. Многометаллические сплавы, встроенная электроника и автоматизированный ремонт деталей предвещают, что может появиться благодаря гибридизации аддитивных, субтрактивных и цифровых дисциплин. Заглядывая в будущее, производители, исследователи и предприниматели продолжают расширять технические границы, вызывая удивление тем, какие инновации в области интегрированного производства могут сформировать глобальную промышленность и общество.

Вопросы и ответы

В: Для каких отраслей лучше всего подходит гибридное производство?

О: Такие отрасли, как аэрокосмическая промышленность, медицинское оборудование, литье и другие, производящие малосерийные сложные детали, получают значительные преимущества. Ремонт/восстановление таких активов, как турбины, также использует гибридные возможности.

В: Чем гибридная система отличается от базового аддитивного или субтрактивного оборудования?

О: Гибридные системы объединяют лазерную/порошковую аддитивную обработку со станками с ЧПУ, выполняя бесшовные аддитивно-субтрактивные траектории инструментов. Детали печатаются и затем обрабатываются на одной платформе, а не на отдельных этапах аддитивной и механической обработки.

В: Какие функции лучше всего подходят для гибридного производства?

О: Сложные внутренние структуры, интеграция нескольких материалов, градиентные свойства и ремонт деталей подходят для гибридных систем. Внешние формы, поддающиеся как аддитивной, так и механической обработке, также выигрывают.

В: Как программное обеспечение и элементы управления работают на гибридных машинах?

О: Цифровые двойники виртуально моделируют процессы. Управление последовательностью аддитивно-субтрактивных этапов или автоматическое переключение обрабатывающих головок. Программирование генерирует оптимизированные интегрированные траектории инструментов из CAD.

В: Какие материалы могут обрабатывать гибридные системы?

О: Хотя основное внимание уделяется обработке металлов, например, лазерному сплавлению порошка и лазерной наплавке, более новые станки интегрируют полимеры. 3D-печать тоже. Возможно использование множества металлов, сплавов и композитов.

В: Как остаточные напряжения влияют на качество гибридных деталей?

О: Тонкая настройка параметров лазера и стратегически запланированная обработка снижают риск деформации. Будущее моделирование тепловых процессов может оптимизировать пути для минимизации напряжений.