電弧增材制造（金屬3D打?。”诹慵圃?/h1>
2019-06-11 12:29:14夏琦男吳君敏
天工 2019年2期
夏琦男 吳君敏
該項(xiàng)3D打印技術(shù)，以電弧增材制造（焊接堆焊）原理為基礎(chǔ)，通過(guò)焊接頭安裝在機(jī)器人手臂端部進(jìn)行施工，每次焊接都會(huì)沉積下少量焊料，如此積少成多而形成具有足夠強(qiáng)度的金屬棒材和結(jié)構(gòu)。
運(yùn)用這項(xiàng)技術(shù)，采用逐層堆焊方式制造金屬實(shí)體構(gòu)件，主要基于TIG、MIG/MAG等焊接技術(shù)發(fā)展而來(lái)，形成零件由電弧熔絲構(gòu)成，化學(xué)成分均勻、致密度高，開(kāi)放的成型環(huán)境對(duì)成型工件的尺寸理論上無(wú)限制。可用來(lái)制造低碳鋼、不銹鋼、鋁合金、銅合金等多種材料零件。
本項(xiàng)目的制造無(wú)需機(jī)械加工或模具，直接從計(jì)算機(jī)圖形數(shù)據(jù)中生成任何所需的形狀， 極大地縮短了產(chǎn)品的生產(chǎn)周期，提高了生產(chǎn)率。盡管仍有待完善，但市場(chǎng)潛力巨大，勢(shì)必成為未來(lái)制造業(yè)的眾多突破技術(shù)之一。
本文以ABB1520ID機(jī)器人配合 Frontiers CMT焊機(jī)，加工薄壁類(lèi)零件（花瓶）為例，簡(jiǎn)單闡述相關(guān)過(guò)程。
步驟一：三維模型設(shè)計(jì)
計(jì)算機(jī)3D建模是所有3D打印技術(shù)的前提。本次，我們采用SolidWorks軟件來(lái)編輯三維模型，最后將建完的三維模型保存至STL格式。然而，僅僅只會(huì)簡(jiǎn)單使用三維建模軟件是不夠的，如果忽略了電弧堆焊的特點(diǎn)，打印就很容易失敗。主要應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：
1.模型必須具有水密性，也就是說(shuō)模型不可以存在破面。
2.模型必須有一定的壁厚和體積，且壁厚必須與實(shí)際的焊接參數(shù)相適應(yīng)。
3.所有模型的突出物不要超過(guò)45°，超過(guò)45°的需要額外增加支撐材料。
4.必須設(shè)計(jì)一個(gè)穩(wěn)定的底座，這樣既能增加模型的穩(wěn)定性，又能增加剛性，控制焊接過(guò)程中的變形量。
5.模型需要預(yù)留容差度。由于金屬焊接的特點(diǎn)，最后成型的工件會(huì)和3D模型有所誤差，應(yīng)在設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮。
步驟二：模型切片
在3D打印中，切片處理及切片軟件是極為重要的。切片的目的是要將模型以片層方式來(lái)描述。通過(guò)這種描述，無(wú)論零件多么復(fù)雜，對(duì)每一層來(lái)說(shuō)卻是很簡(jiǎn)單的平面。
現(xiàn)行市面上并沒(méi)有針對(duì)于電弧堆焊而設(shè)計(jì)的專(zhuān)用切片軟件，所以本次我們選用了Repetier-Host切片軟件，該軟件功能豐富，界面友好，簡(jiǎn)單易學(xué)。主要設(shè)置參數(shù)如表1：
步驟三：生產(chǎn)機(jī)器人程序
這一步是至關(guān)重要的一步，因?yàn)槠胀ǖ?D打印機(jī)程序是以G代碼形式編寫(xiě)的，而ABB機(jī)器人的程序卻是完全獨(dú)立的一個(gè)系統(tǒng)語(yǔ)言。兩者之間沒(méi)有聯(lián)系，所以切片軟件生成的程序無(wú)法直接用于機(jī)器人上，這就給我們帶來(lái)了很大的麻煩。
最后，我們自行編寫(xiě)了一個(gè)用于程序間相互轉(zhuǎn)換的程序，專(zhuān)門(mén)用于把切片軟件生成的G代碼程序轉(zhuǎn)譯成ABB機(jī)器人語(yǔ)言。當(dāng)然，通過(guò)改寫(xiě)程序，我們也可以將改程序用于其他品牌機(jī)器人的轉(zhuǎn)譯工作。下面，我就簡(jiǎn)單介紹一下。
該程序主要分三步來(lái)轉(zhuǎn)譯程序：
1.讀入文件：把由切邊軟件生成的文件導(dǎo)入程序。
2.去掉無(wú)效的語(yǔ)句：去掉除位置和焊接以外的全部無(wú)效指令。
3.生成語(yǔ)句：生成ABB機(jī)器人能夠識(shí)別和使用的程序語(yǔ)言。
步驟四：焊接加工
啟動(dòng)機(jī)器人，通過(guò)U盤(pán)把編譯好的程序?qū)霗C(jī)器人中，調(diào)節(jié)焊機(jī)至CMT焊接功能，設(shè)置焊接參數(shù)如下：
步驟五：后續(xù)處理
測(cè)量、檢驗(yàn)，并處理不良或有缺陷的部位，使產(chǎn)品達(dá)到要求。
該項(xiàng)目的優(yōu)點(diǎn)有：
1.大大縮短新產(chǎn)品研制周期，確保新產(chǎn)品上市時(shí)間。
2.提高了制造復(fù)雜零件的能力。
3.顯著提高新產(chǎn)品投產(chǎn)的一次成功率。
4.支持同步（并行）工程的實(shí)施。
5.支持技術(shù)創(chuàng)新，改進(jìn)產(chǎn)品外觀設(shè)計(jì)。
6.無(wú)需開(kāi)模具，成倍降低新產(chǎn)品研發(fā)成本。
該項(xiàng)技術(shù)目前還存在著許多不足之處，但前景廣闊，具有很大的研究實(shí)用性。我相信在不久的將來(lái)，一定能完善該項(xiàng)技術(shù)。
[作者單位]
寧波技師學(xué)院
（編輯：栗國(guó)花）
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運(yùn)用這項(xiàng)技術(shù)，采用逐層堆焊方式制造金屬實(shí)體構(gòu)件，主要基于TIG、MIG/MAG等焊接技術(shù)發(fā)展而來(lái)，形成零件由電弧熔絲構(gòu)成，化學(xué)成分均勻、致密度高，開(kāi)放的成型環(huán)境對(duì)成型工件的尺寸理論上無(wú)限制。可用來(lái)制造低碳鋼、不銹鋼、鋁合金、銅合金等多種材料零件。
本項(xiàng)目的制造無(wú)需機(jī)械加工或模具，直接從計(jì)算機(jī)圖形數(shù)據(jù)中生成任何所需的形狀， 極大地縮短了產(chǎn)品的生產(chǎn)周期，提高了生產(chǎn)率。盡管仍有待完善，但市場(chǎng)潛力巨大，勢(shì)必成為未來(lái)制造業(yè)的眾多突破技術(shù)之一。
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1.模型必須具有水密性，也就是說(shuō)模型不可以存在破面。
2.模型必須有一定的壁厚和體積，且壁厚必須與實(shí)際的焊接參數(shù)相適應(yīng)。
3.所有模型的突出物不要超過(guò)45°，超過(guò)45°的需要額外增加支撐材料。
4.必須設(shè)計(jì)一個(gè)穩(wěn)定的底座，這樣既能增加模型的穩(wěn)定性，又能增加剛性，控制焊接過(guò)程中的變形量。
5.模型需要預(yù)留容差度。由于金屬焊接的特點(diǎn)，最后成型的工件會(huì)和3D模型有所誤差，應(yīng)在設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮。
步驟二：模型切片
在3D打印中，切片處理及切片軟件是極為重要的。切片的目的是要將模型以片層方式來(lái)描述。通過(guò)這種描述，無(wú)論零件多么復(fù)雜，對(duì)每一層來(lái)說(shuō)卻是很簡(jiǎn)單的平面。
現(xiàn)行市面上并沒(méi)有針對(duì)于電弧堆焊而設(shè)計(jì)的專(zhuān)用切片軟件，所以本次我們選用了Repetier-Host切片軟件，該軟件功能豐富，界面友好，簡(jiǎn)單易學(xué)。主要設(shè)置參數(shù)如表1：
步驟三：生產(chǎn)機(jī)器人程序
這一步是至關(guān)重要的一步，因?yàn)槠胀ǖ?D打印機(jī)程序是以G代碼形式編寫(xiě)的，而ABB機(jī)器人的程序卻是完全獨(dú)立的一個(gè)系統(tǒng)語(yǔ)言。兩者之間沒(méi)有聯(lián)系，所以切片軟件生成的程序無(wú)法直接用于機(jī)器人上，這就給我們帶來(lái)了很大的麻煩。
最后，我們自行編寫(xiě)了一個(gè)用于程序間相互轉(zhuǎn)換的程序，專(zhuān)門(mén)用于把切片軟件生成的G代碼程序轉(zhuǎn)譯成ABB機(jī)器人語(yǔ)言。當(dāng)然，通過(guò)改寫(xiě)程序，我們也可以將改程序用于其他品牌機(jī)器人的轉(zhuǎn)譯工作。下面，我就簡(jiǎn)單介紹一下。
該程序主要分三步來(lái)轉(zhuǎn)譯程序：
1.讀入文件：把由切邊軟件生成的文件導(dǎo)入程序。
2.去掉無(wú)效的語(yǔ)句：去掉除位置和焊接以外的全部無(wú)效指令。
3.生成語(yǔ)句：生成ABB機(jī)器人能夠識(shí)別和使用的程序語(yǔ)言。
步驟四：焊接加工
啟動(dòng)機(jī)器人，通過(guò)U盤(pán)把編譯好的程序?qū)霗C(jī)器人中，調(diào)節(jié)焊機(jī)至CMT焊接功能，設(shè)置焊接參數(shù)如下：
步驟五：后續(xù)處理
測(cè)量、檢驗(yàn)，并處理不良或有缺陷的部位，使產(chǎn)品達(dá)到要求。
該項(xiàng)目的優(yōu)點(diǎn)有：
1.大大縮短新產(chǎn)品研制周期，確保新產(chǎn)品上市時(shí)間。
2.提高了制造復(fù)雜零件的能力。
3.顯著提高新產(chǎn)品投產(chǎn)的一次成功率。
4.支持同步（并行）工程的實(shí)施。
5.支持技術(shù)創(chuàng)新，改進(jìn)產(chǎn)品外觀設(shè)計(jì)。
6.無(wú)需開(kāi)模具，成倍降低新產(chǎn)品研發(fā)成本。
該項(xiàng)技術(shù)目前還存在著許多不足之處，但前景廣闊，具有很大的研究實(shí)用性。我相信在不久的將來(lái)，一定能完善該項(xiàng)技術(shù)。
[作者單位]
寧波技師學(xué)院
（編輯：栗國(guó)花）
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