未来制造技术大揭秘（上篇 ）

在2017汉诺威欧洲机床展（EMO Hannover 2017）上，围绕“互联系统促进智能生产”的展会主题，一众未来制造技术纷纷亮相，展出的各类新型产品无一不体现金属加工设备的网络化新趋势以及相关技术的优化创新。要建立面向未来的智能化生产操作平台，就必须将目光聚焦于网络化设备、工具、辅助操作系统、生产程序的云解决方案和离线数据库解决方案。

网络化设备的运行状态信息可以随时被监控到，并且支持实时数据评估功能，另外还有智能化工具包以及智能工具管理系统，但是以上这些还只是面向未来的制造系统的一方面。智能眼镜的出现改善了客户生产设施的服务操作性能，而增强现实技术（Augmented Reality，AR）则全面提升了客户对于复杂工具的感知体验，这些新技术新产品对于提高客户的利益都大有帮助。但是，数据库系统的安全管理解决方案也成为急待解决的问题被凸显了出来。

从技术角度看，众多的创新产品都集中在增材制造（Additive Manufacturing，AM）领域。除了面向增材制造的新设备，各个相关领域的参展商还推出了多种新制造工艺，并且现场演示了多种类型零部件的增材制造过程，以彰显他们的技术实力。多种新型材料的应用，如将碳纤维增强复合材料（CFRP）用于机床主轴制造，能够使加工过程更快速、更高效。客户定制化工具和高效能机床的引入，使得传统的切削加工工艺，也能以高效地制造出高精度零部件。

本文对现今生产制造技术中存在的新趋势和新问题进行了详细论述。

增材制造

增材制造在制造工业领域中所占的比重正在不断加大。这一趋势在EMO 2017展会上暴露无遗，令人印象深刻的不仅仅是展位上琳琅满目的增材制造设备（3D 打印设备），还有参展商们展示的各类硬件与软件解决方案。增材制造不仅允许零部件具有仿生结构，以达到提高承载能力和减轻自重的目的，还允许零件中附加其它功能结构，例如在其中集成一些冷却管道结构，方便进行零件内部的选择性散热。对于金属3D打印工艺而言，现在的主流工艺主要有两种：一是粉床工艺；二是激光熔敷焊接工艺。用粉床堆叠的工艺方式来构造零件，使结构设计拥有了更高的自由度，并且制造精度可以达到30微米级。

来自于德国克赖灵的EOS公司，展出了他们的增材制造设备的喷头，该产品已在与Ariane Group的项目合作中得到应用，用于制造火箭发动机。通过粉床技术，使发动机的建造时间从原来的3个月缩短到36小时，工艺成本也降低了一半，零件的数量更是从原来的248个减少到1个。在增材生成工艺中，需要持续关注的是制造质量问题，特别是涉及到航空航天领域的与安全相关的零部件制造时，质量问题更是重中之重。在与MTU航空发动机公司（MTU Aero Engines AG）的合作中，EOS公司成功打造出用于监控增材制造设备运行状态的监测系统，该系统由多个传感器构建完成。另外，摄像头会持续拍摄材料层的熔融状态，从而观测材料的融合行为，进一步保证了最佳的层质量。

除了粉床工艺，来自于德国迪琴根的通快公司（TRUMPF）所演示的激光沉积焊接工艺也非常抢眼，这种工艺的构建效率比粉床工艺足足快了十倍之多。工艺的过程具体，就是先通过激光在工件表面创造出一个金属熔池，然后喷嘴会深入其中将金属粉末喷出，用以构建零件的内部结构。这种工艺主要应用于耐磨防护层制备，零件修复和零件新增结构的构建。通快公司研发的这一激光工艺被应用于日本大隈机床公司（Okuma）的超级复合加工中心LASER EX系列，该系列机床融合了切削加工，激光成型，淬火和表面处理，是一台集合了从原料到成品的全部工序的工艺集约型机床。这些技术也在EMO 2017展会上首次亮相，展位恰好在Trumpf公司的对面。

来自于德国比勒费尔德的德马吉森精机公司（DMG MORI），则推出了从CAD/CAM软件到设备硬件统统包括在内的一整套完备和谐的增材制造解决方案。通过采用最新的选择性激光熔化技术（SLM），粉床工艺的工件最大加工尺寸可以达到300mm×300mm×300mm。首次展出的Lasertec 65 3D打印机，其工件最大加工尺寸甚至可以达到直径650mm，高度560mm。这台加工设备是专为增材制造而设计研发的，配有专用的干粉喷嘴，与混合功能的加工设备相比，其占地面积减少了45%，工作区域却扩大了40%，并且引入了诸如多种轨道宽度的新技术，激光功率高达4kW，另外还可以应用于铝钛合金等活性材料的零件制造中。

来自于德国黑森林地区的机床制造公司J.G. Weisser Söhne GmbH & Co. KG公司，则推出了一种增材3D涂层技术，运用这种技术来分层构建零部件结构，完全无需使用激光发射器。这一专利技术的具体工艺，是将半成品材料以旋转方式压印到工件表面，熔化半成材料所需热能来自于摩擦生热，最终半成材料会和工件表面融为一体，转化为工件的一部分。这一具有前沿实验性的加工设备也在EMO 2017 展会上亮相，其增材沉积过程所占的工作空间为800mm×300mm×150mm。基本上，除了通过改变工作空间尺寸来适应不同的应用场合外，还可以将这种设备集成到其它的加工制造单元中，来实现设备改型的目的。该公司表示，这种工艺技术与基于激光制造的粉床工艺相比，其所使用的半成材料比一般的3D打印材料要便宜10到30倍，而其沉积速度可以达到2l/h，铝材料的沉积速度比粉床工艺快20倍，钢铁材料则要快100倍。但这种工艺的弱势也很明显，就是目前无法用于复杂形状零部件的制造。

金属粉末沉积工艺是由位于德国奥托布伦的Hermle Maschinenbau GmbH公司提出的，同样也不需要用到激光发射器。这种技术属于热喷工艺，金属粉末在载体气体的帮助下加速到非常高的速度，并通过喷嘴将这些金属粉末层层叠加到工件表面。这一工艺的优势在于，加工材料不受限制，只要能将它做成粉末的形态就可以，理论上甚至允许将多种不同材料的粉末以任意比例调和，沉积到任意形状的工件表面。其它的优势还包括制造温度较低，仅为200℃到 300℃；可以和减材加工工艺如铣削、车削相结合，应用到传统的加工中心上。

金属3D打印工件

来自于美国南加州的3D Systems公司推出了3DXpert软件包，这是一套完整的金属增材制造专业软件包。这家公司同时还是增材加工设备的制造商，因此可以提供包括生产与工艺过程处理在内的一整套增材制造解决方案。完成了数据导入和工件就位工作后，后续的工件结构创建和改进，以及生产操作流程就不再困难了。接着计算机会定义出工件各部分的打印策略，并且计算出合适的扫描轨迹。增材制造工艺之后，很可能工件的某些区域还需要进行修正加工，或者其中的一些辅助支撑结构需要被去除掉，因此，该软件还包含了这一过程所需要用到的相关程序。（未完待续）