機(jī)械臂上裝有帶自動(dòng)工具更換裝置驅(qū)動(dòng)裝置和擠出頭。這樣，增材制造就可以和機(jī)加工工序和嵌入部件的集成結(jié)合在一起。

憑借自動(dòng)化與功能集成帶來(lái)的巨大潛力，增材制造工藝必將改變塑料產(chǎn)品的生產(chǎn)。除了眾所周知的優(yōu)勢(shì)，這一工藝也存在一些不足，比如公差、表面特性以及未能解決的集成嵌件方面的問(wèn)題?，F(xiàn)在，一種新的增材、減材生產(chǎn)混合概念提供了功能集成部件生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)型方法。

對(duì)于單個(gè)零部件的生產(chǎn)，增材制造法在幾何設(shè)計(jì)的自由度上具備極大的優(yōu)勢(shì)，這也可以用來(lái)將某些功能集成到組件之中（1-3）。與自動(dòng)化加工類似，這類直接制造也是基于CAM生成的數(shù)據(jù)。比較這兩種工藝，增材制造在尺寸穩(wěn)定性不具優(yōu)勢(shì)。此外，通常必須進(jìn)行后處理。

由于是分層構(gòu)建，增材組件表面結(jié)構(gòu)粗糙。為了滿足美觀并保證可接受的尺寸或安裝要求，必須進(jìn)行表面后處理。而且，特別是在熔融層積成型（FLM）的情況下，用于單絲成型的材料成本較高，鑒于目前工廠技術(shù)水平，將工藝與自動(dòng)化進(jìn)行結(jié)合的潛力極低。             

相比于增材制造，上述缺點(diǎn)對(duì)注塑、沖壓或機(jī)加工等生產(chǎn)工藝只產(chǎn)生較小影響。注塑技術(shù)量產(chǎn)得到的組件尺寸穩(wěn)定，能達(dá)到A級(jí)表面及較高的機(jī)械性能。然而，為達(dá)到這些優(yōu)勢(shì)，在某種程度上卻限制了設(shè)計(jì)自由度，更不用說(shuō)個(gè)性化與定制了。機(jī)加工方面也是如此，與增材制造相比，可實(shí)現(xiàn)的組件復(fù)雜度十分有限（4）。不過(guò)，單個(gè)組件可獲得較高的質(zhì)量與尺寸穩(wěn)定的表面（5）。

通過(guò)后處理達(dá)到想要的表面質(zhì)量

增材制造組件的表面粗糙度不僅取決于對(duì)層厚的調(diào)整，也取決于所應(yīng)用表面及構(gòu)造平面布置的角度。位于亞琛的塑料加工協(xié)會(huì)（IKV）以一個(gè)試件（圖1）為樣本，考察了如何利用后續(xù)減材工藝步驟提高表面光澤度的方法。組件以聚乳酸（PLA）為原料，單層高度0.1毫米，使用FLM系統(tǒng)（型號(hào)：X1000，制造商：德國(guó)RepRap GmbH）制造，并應(yīng)用共焦激光掃描顯微鏡（型號(hào)：VK-X200，制造商：Keyence公司）對(duì)其表面進(jìn)行了形態(tài)構(gòu)造分析。

圖1 樣本包含部件表面和建構(gòu)平面不同角度的各個(gè)部分（來(lái)源：IKV）

研究記錄可為后續(xù)加工步驟提供參考值。采用不同細(xì)度的研磨劑和拋光劑對(duì)試件進(jìn)行了手工打磨和拋光。表面結(jié)構(gòu)分析結(jié)果反映出手工拋光存在的基本問(wèn)題，即粗磨步驟仍會(huì)留下磨痕（圖2）。很難對(duì)研磨及拋光階段加以完全控制。

圖2 單個(gè)部件不同區(qū)域（不同角度）的表面結(jié)構(gòu)在各個(gè)加工步驟后所作的形態(tài)構(gòu)造示例（來(lái)源：IKV）。

為了評(píng)估后續(xù)處理是否適合用作塑料加工傳統(tǒng)表面處理的初步工藝，試樣在隨后兩個(gè)步驟（上色和上光步驟）中進(jìn)行了涂覆（圖3）。采用便攜式分光光度計(jì)（型號(hào)：spectro-guide球體光澤，制造商：BYK Chemie AG）進(jìn)行了光澤測(cè)量，以量化表面質(zhì)量。光澤測(cè)量結(jié)果與未涂覆試樣的表面光澤度一致。結(jié)果表明，涂層彌補(bǔ)了在拋光階段及第二階段打磨中產(chǎn)生的磨痕，從而獲得了更高的光澤度值（圖4）。

圖3 由FLM方法生產(chǎn)的部件，經(jīng)不同精整工序（研磨和拋光）和最后上漆后，顯示出不同的表面質(zhì)量。

不同步驟的替代集成方法

實(shí)際應(yīng)用證明，對(duì)增材組件進(jìn)行后續(xù)減材處理是可涂裝表面加工必不可少的步驟。盡管這些后處理工藝可以手動(dòng)進(jìn)行，但不能以經(jīng)濟(jì)的方式實(shí)現(xiàn)增材組件可重現(xiàn)的高光澤表面質(zhì)量，原因在于在手工后處理中材料的去除通常具有不確定性。

圖4 分光光度計(jì)測(cè)得的光澤度隨著后加工所選的精細(xì)度而提高（來(lái)源：IKV）

為了以一種經(jīng)濟(jì)的方式實(shí)現(xiàn)恒定的尺寸穩(wěn)定性，增材制造組件應(yīng)在自動(dòng)化過(guò)程中再加工。因此，這并不會(huì)犧牲組件的復(fù)雜性，目的是在增材開(kāi)發(fā)過(guò)程中交替整合進(jìn)減材工藝。這樣，還可以集成嵌件，如螺紋或軸承襯套、注塑件以及電子或陶瓷嵌件，以在增材工藝融入全新的功能。

混合制造概念

為此，IKV已經(jīng)推出一種混合生產(chǎn)概念，通過(guò)組合不同的制造工藝，滿足個(gè)性化產(chǎn)品精確生產(chǎn)的需求。在集成的生產(chǎn)單元中，可以利用不同的工藝各自的優(yōu)勢(shì)（圖5）。借助于使用帶自動(dòng)換刀系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)裝置，可以交替組合不同的工藝。柔性耦合組件按照特定的刀具傳送電信號(hào)和流體流，且無(wú)泄漏。這樣可以確保驅(qū)動(dòng)裝置的可操作性和刀具軸承準(zhǔn)備就緒。

圖5 混合生產(chǎn)單元使得經(jīng)濟(jì)地生產(chǎn)單個(gè)功能一體化塑料部件成為可能（來(lái)源：IKV）

為了加工出標(biāo)準(zhǔn)顆粒，擠出機(jī)被設(shè)計(jì)成螺桿擠出方式。與傳統(tǒng)FLM相比，噴嘴前室壓力更高，其可以加工填充材料。擠出機(jī)重量為3.8公斤，是專為低熔融量應(yīng)用設(shè)計(jì)的。它配備了直徑為16毫米、長(zhǎng)度為110毫米的螺桿，可進(jìn)行三階段加熱（兩個(gè)電加熱區(qū)，一個(gè)液控進(jìn)料區(qū)）。驅(qū)動(dòng)裝置與擠出機(jī)擁有單獨(dú)的扭矩傳感器。通過(guò)一只型號(hào)為HSK 25E的適配器傳遞旋轉(zhuǎn)動(dòng)力運(yùn)動(dòng)。模板材料（標(biāo)準(zhǔn)?；┲糜谏a(chǎn)單元之外（6）。

圖6 基于所用擠出機(jī)技術(shù)的首次生產(chǎn)量測(cè)量顯示了擴(kuò)大生產(chǎn)的潛力（來(lái)源：IKV）

利用螺桿擠出技術(shù)擴(kuò)大產(chǎn)量

在初始生產(chǎn)量測(cè)量中，對(duì)熱塑性彈性體（杜邦）和ABS（A. Schulmann AG）（圖6）采用不同的螺桿速度。據(jù)證實(shí)，由于兩種材料各自喂入與輸送行為差別較大，提高螺桿速度可增加產(chǎn)量。這是因?yàn)橐环矫妫w粒的幾何形狀不同，另一方面，材料的流變屬性不同。 擠出機(jī)可以只根據(jù)測(cè)得的產(chǎn)量用CAM加工軟件校準(zhǔn)即可。因此，首先，放料量應(yīng)與定位系統(tǒng)的進(jìn)給速度相匹配。然后，根據(jù)規(guī)定的層厚和放料水平測(cè)量出產(chǎn)生的壁厚。在2016 K展上，IKV首次展示了混合生產(chǎn)理念的具體樣例（圖7）。

圖7 所示部件顯示了采用螺桿型增材制造方式可帶來(lái)的幾何形狀可能性（ 來(lái)源：IKV）。

展望

如果能夠充分利用增材制造中的定位系統(tǒng)所具有的自動(dòng)化功能，并在結(jié)構(gòu)增層中與其它生產(chǎn)工藝進(jìn)行特定的結(jié)合，就可以實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)地生產(chǎn)單個(gè)功能集成塑料部件的目的。這樣生產(chǎn)出的部件表面品質(zhì)高，可有嵌件。IKV正在考察所進(jìn)行的項(xiàng)目從增材制造、減材制造到嵌件集成這一整個(gè)混合生產(chǎn)鏈。