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)階段成為一個制造業(yè)界的一個熱點，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)驗和積淀；英國全新輕金屬增材制造設(shè)計解決方案“LIGHT”研發(fā)項目啟動會議于2013年12月12日，在Delcam 公司總部伯明翰召開，Delcam作為該項目的主導(dǎo)和管理單位主持召開了本次會議。“LIGHT”項目資金預(yù)算為887,000英鎊，旨在通過一系列的試驗、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、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)品運用高科技維修為主要活動的產(chǎn)業(yè)，主要指廢舊機電產(chǎn)品再制造，包括汽車、飛機、電機、機床、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)，同時制造企業(yè)能夠獲得較高附加值的再制造項目，如模具改型修復(fù)、設(shè)備貴重機械零部件修復(fù)等，國防方面飛機發(fā)動機葉片、艦船、坦克、裝甲車輛部件等；航空發(fā)動機葉片修復(fù)是保障飛機正常運轉(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)機行業(yè)主要部件鼓風(fēng)機葉片修復(fù)，可較大幅度節(jié)約時間成本和制造成本；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 中進行再造，然后直接使用CAM 軟件進行加工編程；該方式同樣也適用于掃描損壞的模具，進行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模型通常是整個生產(chǎn)流程的源頭，依托3D CAD模型，進行工藝分析和規(guī)劃、生產(chǎn)流程安排、數(shù)控加工制造、質(zhì)量檢驗檢測等，那么，再制造通常是在模具損壞或機械零件破損時，需要快速恢復(fù)生產(chǎn)，對制造時間成本、制造成本等要求較高的情況下開展的；實施過程包括擁有原始設(shè)計的CAD模型和無CAD模型兩種情況，但都需要對實際模型進行進行數(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)果即時顯示在監(jiān)視屏幕，確保掃描到所需的全部細節(jié)。強大的點編輯工具可刪除無用點，或是去除掃描數(shù)據(jù)中的任何雜點?？煽焖佥p松合并獨立掃描形成的點云，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，或是增加或刪除細節(jié)?？珊喕W(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)生新的用戶坐標系來指定基準位置。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：PowerSHAPE Pro 包含大量的曲面和實體建模工具，幫助您在最短時間完成項目。可通過網(wǎng)格產(chǎn)生截面，定義實體建?；蚯娼Ｖ兴璧木€框形體。擁有專利的智能光標可捕捉模型上的擁有專利的智能光標可捕捉模型上的關(guān)鍵點，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）?？勺詣臃謪^(qū)網(wǎng)格并擬合成標準體素曲面或?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)。可使用光滑、高質(zhì)量曲面蒙皮模型中的復(fù)雜區(qū)域?？山换ゲ眉羟妫a(chǎn)生理想模型?？墒褂脧姶蟮膶嶓w建模工具重新建構(gòu)已完成的模型，整個重構(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 

    用一個實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)動機葉片修復(fù)領(lǐng)域具有非?，F(xiàn)實的意義，通常飛機發(fā)動機葉片，在飛機飛行一定時間段后，需要檢修，飛機發(fā)動機葉片是重要的檢測項目，對惡劣工作環(huán)境產(chǎn)生的損壞必須進修更換或修復(fù)；同理，模具使用的損壞可以采用同樣的技術(shù)進行改造，覆蓋件模具中回彈變形，需要對模具進行變更，采用同樣的模仿變形技術(shù)對模具進行調(diào)整，然后進行加工修復(fù)損傷的航空發(fā)動機葉片，需要首先要根據(jù)損壞情況進行激光熔敷焊接（圖6），熔敷焊接屬于增材制造的重要形式，飛機發(fā)動機葉片在工作是承載較強的力，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)也不會一致，如果按照理論CAD模型對葉片進行再制造修復(fù)（圖7），將完全損壞該葉片，那么我們就需要一個自適應(yīng)當前零件狀態(tài)的修復(fù)方案，自適應(yīng)實際零件和理論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氣邊、出氣邊位置；自動啟動程序生成系統(tǒng)，同時根據(jù)葉身檢測獲得的進氣邊、出氣邊也決定精確的榫頭位置，并生成進氣邊、出氣邊及榫頭加工程序。#p#分頁標題#e#

    把再制造融入智能化元素，整個的制造過程需要包括對經(jīng)過激光熔敷焊接的葉片，在特制的具備在機檢測（Delcam OMV）功能的設(shè)備上進行數(shù)據(jù)采集，然后根據(jù)采集的數(shù)據(jù)進行造型，獲得當前真實零件的CAD模型，然后和理論CAD模型進行比對，在保證安裝榫頭一致的情況下，需要對葉身進行自適應(yīng)匹配，讓理論CAD模型按照相應(yīng)的檢測規(guī)則自適應(yīng)匹配到當前零件形狀，然后自動編程系統(tǒng)開始工作，生成數(shù)控加工設(shè)備加工代碼，驅(qū)動數(shù)控機床完成葉片加工；加工完成后，設(shè)備啟動在機檢測系統(tǒng)，對修復(fù)結(jié)果進行驗證，完成一個工作。 

    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調(diào)精度，效率將會急劇下降，時間成本將難以承受。

    研究增材制造和3D打印的機構(gòu)，較多都計劃或采用工業(yè)機器人的形式進行研發(fā)和使用，下面以一個機械零件修復(fù)（再制造）的流程簡要說明（圖7），這是一個有設(shè)計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，該項目可以假設(shè)是遠洋貨輪上，該零件的損壞，會導(dǎo)致遠洋貨輪不能行進；在云數(shù)據(jù)時代，該遠洋貨輪配備有以工業(yè)機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個步驟來進行：1、從云端獲得設(shè)計3D CAD數(shù)據(jù)；2、柔性制造單元對損壞零件進行掃描；3、對齊點云和設(shè)計3D CAD數(shù)據(jù)；4、由點云形成STL模型；5、設(shè)計3D CAD數(shù)據(jù)與缺損STL模型進行布爾運算，獲得缺損部分3D CAD數(shù)據(jù)；6、機器人柔性單元采用激光熔敷堆積缺損部分；7、采用機器人安裝動力頭后采用數(shù)控加工刀具對激光熔敷堆積部分進行精加工. 

    通過以上零件再制造流程的描述，包含STL模型和實體CAD模型的布爾運算，該功能是PowerSHAPE所特有的功能；同時機器人的應(yīng)用，由過去的點位驅(qū)動，改變?yōu)榉滦渭庸?，需要支持工業(yè)機器人編程的PowerMILL，機器人離線編程讓機器人具備數(shù)控機床的功能，同時具備足夠的“柔性”，但不可回避的是一般的機器人本身的定位精度0.1~0.2之間；達到真正的高精度有一定差距，但奇優(yōu)勢同樣不可否認。對于支持數(shù)控機床進行模具高效加工，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)控機床。

MachineDNA&Vortex高效加工路徑（圖8）

    六、結(jié)語 

    本文重點是考慮通過現(xiàn)代隨著數(shù)字化技術(shù)的不斷進步，相應(yīng)逆向掃描系統(tǒng)、數(shù)控機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，無疑對人類社會的持續(xù)發(fā)展具備積極作用；文中提到的航空發(fā)動機葉片修復(fù)技術(shù)，也是國內(nèi)外最為先進的自適應(yīng)加工系統(tǒng)的概述，同時也適用于與模具的修復(fù)；模具的數(shù)字化設(shè)計與制造技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用情況與時具進，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際工作中的真實案例；文中提到的機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