關(guān)鍵詞：3D打印、增材制造、再制造、激光熔敷、葉片修復(fù)、模具復(fù)制、模具修復(fù)、逆向工程、再造工程、軟件智能夾具 

    一、引言 

    本文從模具修復(fù)課題展開論述，模具的修復(fù)通常需要增加材料，然后再次加工成型，那么增材加工將發(fā)揮關(guān)鍵作用，數(shù)字化技術(shù)的深入發(fā)展、數(shù)字控制加工設(shè)備的迅速普及，對于模具修復(fù)也采用采用激光熔敷技術(shù)精密修復(fù)缺陷，這些促使制造業(yè)工藝模式發(fā)生了質(zhì)的改變，增材制造現(xiàn)階段成為一個(gè)制造業(yè)界的一個(gè)熱點(diǎn)，關(guān)于增材制造，國內(nèi)華中科技大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、北京航空航天大學(xué)做了大量的研究并獲得較多成果。 

    總體來看，歐美在增材制造技術(shù)方面具備更多的經(jīng)驗(yàn)和積淀；英國全新輕金屬增材制造設(shè)計(jì)解決方案“LIGHT”研發(fā)項(xiàng)目啟動(dòng)會(huì)議于2013年12月12日，在Delcam 公司總部伯明翰召開，Delcam作為該項(xiàng)目的主導(dǎo)和管理單位主持召開了本次會(huì)議。“LIGHT”項(xiàng)目資金預(yù)算為887,000英鎊，旨在通過一系列的試驗(yàn)、測試和演示，找到一種全新的輕金屬增材制造 Additive Manufacturing (AM)方法，并幫助整個(gè)英國和世界制造業(yè)能更容易地接受和受益于這種制造方法；本文將從再制造應(yīng)用領(lǐng)域、基礎(chǔ)模型獲取、再制造模型修復(fù)與再設(shè)計(jì)、增材制造和數(shù)控加工等方面展開論述。 

    二、再制造應(yīng)用領(lǐng)域 

    再制造產(chǎn)業(yè)是以廢舊產(chǎn)品運(yùn)用高科技維修為主要活動(dòng)的產(chǎn)業(yè)，主要指廢舊機(jī)電產(chǎn)品再制造，包括汽車、飛機(jī)、電機(jī)、機(jī)床、器械、家電、辦公設(shè)備等；這里列舉與數(shù)控加工技術(shù)相關(guān)，同時(shí)制造企業(yè)能夠獲得較高附加值的再制造項(xiàng)目，如模具改型修復(fù)、設(shè)備貴重機(jī)械零部件修復(fù)等，國防方面飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、艦船、坦克、裝甲車輛部件等；航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片修復(fù)是保障飛機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的重要保障；修復(fù)所付出的成本通常為正常生產(chǎn)制造的10%以下，就民用鼓風(fēng)機(jī)行業(yè)主要部件鼓風(fēng)機(jī)葉片修復(fù)，可較大幅度節(jié)約時(shí)間成本和制造成本；某汽車鑄造廠，許多模型和模具，在早期使用傳統(tǒng)技術(shù)直接通過 2D 繪圖制造（圖1）。如果需要復(fù)制一已有模具，以增加產(chǎn)能，和再制造有一定的關(guān)聯(lián)性，可使用高效低成本的逆向工程方法來完成。掃描已有模具，在 PowerSHAPE Pro 中進(jìn)行再造，然后直接使用CAM 軟件進(jìn)行加工編程；該方式同樣也適用于掃描損壞的模具，進(jìn)行CAD處理后，新制作或修復(fù)損壞的模具。

     三、模具修復(fù)基礎(chǔ)模型獲取 

    在數(shù)字化制造過程中，CAD模型通常是整個(gè)生產(chǎn)流程的源頭，依托3D CAD模型，進(jìn)行工藝分析和規(guī)劃、生產(chǎn)流程安排、數(shù)控加工制造、質(zhì)量檢驗(yàn)檢測等，那么，再制造通常是在模具損壞或機(jī)械零件破損時(shí)，需要快速恢復(fù)生產(chǎn)，對制造時(shí)間成本、制造成本等要求較高的情況下開展的；實(shí)施過程包括擁有原始設(shè)計(jì)的CAD模型和無CAD模型兩種情況，但都需要對實(shí)際模型進(jìn)行進(jìn)行數(shù)據(jù)采集掃描。

    模具掃描：采用PowerSHAPE Pro 可直接連接到全部主流激光掃描設(shè)備。隨著零件的掃描，掃描結(jié)果即時(shí)顯示在監(jiān)視屏幕，確保掃描到所需的全部細(xì)節(jié)。強(qiáng)大的點(diǎn)編輯工具可刪除無用點(diǎn)，或是去除掃描數(shù)據(jù)中的任何雜點(diǎn)?？煽焖佥p松合并獨(dú)立掃描形成的點(diǎn)云，產(chǎn)生理想、完整的零件數(shù)據(jù)（圖2）?？煞指畲笮突驈?fù)雜點(diǎn)云數(shù)據(jù)，簡化數(shù)據(jù)，從而加速大型數(shù)據(jù)模型的處理。

    掃描數(shù)據(jù)網(wǎng)格化：PowerSHAPE Pro 也提供了強(qiáng)大的網(wǎng)格操作工具，幫助您快速建模（圖3）?？赏ㄟ^平面封頂或是光順、切矢連續(xù)的網(wǎng)格面片，快速、輕松填充孔和間隙；使用交互式網(wǎng)格雕刻工具刪除缺陷，或是增加或刪除細(xì)節(jié)。可簡化網(wǎng)格區(qū)域或整理三角形，以改善擬合質(zhì)量。使用直觀的對齊定位工具，可將網(wǎng)格對齊于一已知方向，或是交互產(chǎn)生新的用戶坐標(biāo)系來指定基準(zhǔn)位置。全部這些工具也都支持輸入的 STL 模型數(shù)據(jù)，這使 PowerSHAPE Pro 成為能處理來自任何資源，任何形式的網(wǎng)格數(shù)據(jù)的理想再制造工具。

    根據(jù)掃描模型建模及模具設(shè)計(jì)：PowerSHAPE Pro 包含大量的曲面和實(shí)體建模工具，幫助您在最短時(shí)間完成項(xiàng)目?？赏ㄟ^網(wǎng)格產(chǎn)生截面，定義實(shí)體建?；蚯娼Ｖ兴璧木€框形體。擁有專利的智能光標(biāo)可捕捉模型上的擁有專利的智能光標(biāo)可捕捉模型上的關(guān)鍵點(diǎn)，指導(dǎo)您產(chǎn)生直線、圓弧和曲線，簡化模型建構(gòu)過程（圖4、圖5）?？勺詣?dòng)分區(qū)網(wǎng)格并擬合成標(biāo)準(zhǔn)體素曲面或?qū)嶓w形狀，如圓柱、平面、旋轉(zhuǎn)體和擠出，加快棱柱形零件的建構(gòu)?？墒褂霉饣?、高質(zhì)量曲面蒙皮模型中的復(fù)雜區(qū)域。可交互裁剪曲面，產(chǎn)生理想模型?？墒褂脧?qiáng)大的實(shí)體建模工具重新建構(gòu)已完成的模型，整個(gè)重構(gòu)過程具有完整的特征建構(gòu)歷史，方便隨后編輯。逆向工程是完全保型性應(yīng)用，而我們這里考慮的是對造型模型重新特征化，應(yīng)屬于再造工程。 

    四、模具及模型修復(fù)原理與再設(shè)計(jì) 

    用一個(gè)實(shí)際的案例來說明再制造模型修復(fù)，再制造模型修復(fù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片修復(fù)領(lǐng)域具有非?，F(xiàn)實(shí)的意義，通常飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片，在飛機(jī)飛行一定時(shí)間段后，需要檢修，飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片是重要的檢測項(xiàng)目，對惡劣工作環(huán)境產(chǎn)生的損壞必須進(jìn)修更換或修復(fù)；同理，模具使用的損壞可以采用同樣的技術(shù)進(jìn)行改造，覆蓋件模具中回彈變形，需要對模具進(jìn)行變更，采用同樣的模仿變形技術(shù)對模具進(jìn)行調(diào)整，然后進(jìn)行加工修復(fù)損傷的航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片，需要首先要根據(jù)損壞情況進(jìn)行激光熔敷焊接（圖6），熔敷焊接屬于增材制造的重要形式，飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片在工作是承載較強(qiáng)的力，通常葉身和理論CAD模型存在一定差異，但變形的葉片同時(shí)在允許的容差范圍之內(nèi)，而且不同的葉片變形狀態(tài)也不會(huì)一致，如果按照理論CAD模型對葉片進(jìn)行再制造修復(fù)（圖7），將完全損壞該葉片，那么我們就需要一個(gè)自適應(yīng)當(dāng)前零件狀態(tài)的修復(fù)方案，自適應(yīng)實(shí)際零件和理論CAD關(guān)聯(lián)，并生成自適應(yīng)加工可使用模型，該模型處理了精確的進(jìn)氣邊、出氣邊位置；自動(dòng)啟動(dòng)程序生成系統(tǒng)，同時(shí)根據(jù)葉身檢測獲得的進(jìn)氣邊、出氣邊也決定精確的榫頭位置，并生成進(jìn)氣邊、出氣邊及榫頭加工程序。#p#分頁標(biāo)題#e#

    把再制造融入智能化元素，整個(gè)的制造過程需要包括對經(jīng)過激光熔敷焊接的葉片，在特制的具備在機(jī)檢測（Delcam OMV）功能的設(shè)備上進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，然后根據(jù)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行造型，獲得當(dāng)前真實(shí)零件的CAD模型，然后和理論CAD模型進(jìn)行比對，在保證安裝榫頭一致的情況下，需要對葉身進(jìn)行自適應(yīng)匹配，讓理論CAD模型按照相應(yīng)的檢測規(guī)則自適應(yīng)匹配到當(dāng)前零件形狀，然后自動(dòng)編程系統(tǒng)開始工作，生成數(shù)控加工設(shè)備加工代碼，驅(qū)動(dòng)數(shù)控機(jī)床完成葉片加工；加工完成后，設(shè)備啟動(dòng)在機(jī)檢測系統(tǒng)，對修復(fù)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，完成一個(gè)工作。 

    五、增材制造和數(shù)控加工 

    關(guān)于3D打印取代傳統(tǒng)制造業(yè)的描述隨處可見，但作為制造業(yè)從業(yè)人員來說，3D打印會(huì)帶來一些制造形式的變革，是增材制造的重要表現(xiàn)形式，部分取代傳統(tǒng)機(jī)械加工形式存在可能，但也需要非常長的周期，我們這里把增材制造和數(shù)控加工用于再制造，分別取各自優(yōu)勢，增材制造對損傷零件填補(bǔ)和增加材料，數(shù)控加工保障最終精度，對于增材制造來說但如果過分強(qiáng)調(diào)精度，效率將會(huì)急劇下降，時(shí)間成本將難以承受。

    研究增材制造和3D打印的機(jī)構(gòu)，較多都計(jì)劃或采用工業(yè)機(jī)器人的形式進(jìn)行研發(fā)和使用，下面以一個(gè)機(jī)械零件修復(fù)（再制造）的流程簡要說明（圖7），這是一個(gè)有設(shè)計(jì)3D CAD模型的案例，基于原理，對模具的損壞或修改也可以采用同樣的技術(shù)；該零件因使用原因損壞，該項(xiàng)目可以假設(shè)是遠(yuǎn)洋貨輪上，該零件的損壞，會(huì)導(dǎo)致遠(yuǎn)洋貨輪不能行進(jìn)；在云數(shù)據(jù)時(shí)代，該遠(yuǎn)洋貨輪配備有以工業(yè)機(jī)器人為核心的一套柔性制造單元，對損壞的零件，根據(jù)需要，通常需要通過以下7個(gè)步驟來進(jìn)行：1、從云端獲得設(shè)計(jì)3D CAD數(shù)據(jù)；2、柔性制造單元對損壞零件進(jìn)行掃描；3、對齊點(diǎn)云和設(shè)計(jì)3D CAD數(shù)據(jù)；4、由點(diǎn)云形成STL模型；5、設(shè)計(jì)3D CAD數(shù)據(jù)與缺損STL模型進(jìn)行布爾運(yùn)算，獲得缺損部分3D CAD數(shù)據(jù)；6、機(jī)器人柔性單元采用激光熔敷堆積缺損部分；7、采用機(jī)器人安裝動(dòng)力頭后采用數(shù)控加工刀具對激光熔敷堆積部分進(jìn)行精加工. 

    通過以上零件再制造流程的描述，包含STL模型和實(shí)體CAD模型的布爾運(yùn)算，該功能是PowerSHAPE所特有的功能；同時(shí)機(jī)器人的應(yīng)用，由過去的點(diǎn)位驅(qū)動(dòng)，改變?yōu)榉滦渭庸?，需要支持工業(yè)機(jī)器人編程的PowerMILL，機(jī)器人離線編程讓機(jī)器人具備數(shù)控機(jī)床的功能，同時(shí)具備足夠的“柔性”，但不可回避的是一般的機(jī)器人本身的定位精度0.1~0.2之間；達(dá)到真正的高精度有一定差距，但奇優(yōu)勢同樣不可否認(rèn)。對于支持?jǐn)?shù)控機(jī)床進(jìn)行模具高效加工，PowerMILL同樣具有非常大的優(yōu)勢，最新的MachineDNA&Vortex技術(shù)，是首次把數(shù)控機(jī)床DNA信息，植入數(shù)控編程系統(tǒng)的軟件，對于提高零件、模具加工效率非常有意義；模具和部件的再制造依然不能脫離數(shù)控機(jī)床。

MachineDNA&Vortex高效加工路徑（圖8）

    六、結(jié)語 

    本文重點(diǎn)是考慮通過現(xiàn)代隨著數(shù)字化技術(shù)的不斷進(jìn)步，相應(yīng)逆向掃描系統(tǒng)、數(shù)控機(jī)床等的普及而提出一些創(chuàng)新思路，充分發(fā)揮再制造的功能，無疑對人類社會(huì)的持續(xù)發(fā)展具備積極作用；文中提到的航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片修復(fù)技術(shù)，也是國內(nèi)外最為先進(jìn)的自適應(yīng)加工系統(tǒng)的概述，同時(shí)也適用于與模具的修復(fù)；模具的數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用情況與時(shí)具進(jìn)，需要多學(xué)科技術(shù)的融合；關(guān)于模具復(fù)制的案例也是我們在實(shí)際工作中的真實(shí)案例；文中提到的機(jī)器人熔敷加工同樣屬于3D打印的一種形式。

作者：Delcam中國 翟萬略