關(guan) 鍵詞：3D打印、增材製造、再製造、激光熔敷、葉片修複、模具複製、模具修複、逆向工程、再造工程、軟件智能夾具 

    一、引言 

    本文從(cong) 模具修複課題展開論述，模具的修複通常需要增加材料，然後再次加工成型，那麽(me) 增材加工將發揮關(guan) 鍵作用，數字化技術的深入發展、數字控製加工設備的迅速普及，對於(yu) 模具修複也采用采用激光熔敷技術精密修複缺陷，這些促使製造業(ye) 工藝模式發生了質的改變，增材製造現階段成為(wei) 一個(ge) 製造業(ye) 界的一個(ge) 熱點，關(guan) 於(yu) 增材製造，國內(nei) 華中科技大學、西北工業(ye) 大學、北京航空航天大學做了大量的研究並獲得較多成果。 

    總體(ti) 來看，歐美在增材製造技術方麵具備更多的經驗和積澱；英國全新輕金屬增材製造設計解決(jue) 方案“LIGHT”研發項目啟動會(hui) 議於(yu) 2013年12月12日，在Delcam 公司總部伯明翰召開，Delcam作為(wei) 該項目的主導和管理單位主持召開了本次會(hui) 議。“LIGHT”項目資金預算為(wei) 887,000英鎊，旨在通過一係列的試驗、測試和演示，找到一種全新的輕金屬增材製造 Additive Manufacturing (AM)方法，並幫助整個(ge) 英國和世界製造業(ye) 能更容易地接受和受益於(yu) 這種製造方法；本文將從(cong) 再製造應用領域、基礎模型獲取、再製造模型修複與(yu) 再設計、增材製造和數控加工等方麵展開論述。 

    二、再製造應用領域 

    再製造產(chan) 業(ye) 是以廢舊產(chan) 品運用高科技維修為(wei) 主要活動的產(chan) 業(ye) ，主要指廢舊機電產(chan) 品再製造，包括汽車、飛機、電機、機床、器械、家電、辦公設備等；這裏列舉(ju) 與(yu) 數控加工技術相關(guan) ，同時製造企業(ye) 能夠獲得較高附加值的再製造項目，如模具改型修複、設備貴重機械零部件修複等，國防方麵飛機發動機葉片、艦船、坦克、裝甲車輛部件等；航空發動機葉片修複是保障飛機正常運轉的重要保障；修複所付出的成本通常為(wei) 正常生產(chan) 製造的10%以下，就民用鼓風機行業(ye) 主要部件鼓風機葉片修複，可較大幅度節約時間成本和製造成本；某汽車鑄造廠，許多模型和模具，在早期使用傳(chuan) 統技術直接通過 2D 繪圖製造（圖1）。如果需要複製一已有模具，以增加產(chan) 能，和再製造有一定的關(guan) 聯性，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，然後直接使用CAM 軟件進行加工編程；該方式同樣也適用於(yu) 掃描損壞的模具，進行CAD處理後，新製作或修複損壞的模具。

     三、模具修複基礎模型獲取 

    在數字化製造過程中，CAD模型通常是整個(ge) 生產(chan) 流程的源頭，依托3D CAD模型，進行工藝分析和規劃、生產(chan) 流程安排、數控加工製造、質量檢驗檢測等，那麽(me) ，再製造通常是在模具損壞或機械零件破損時，需要快速恢複生產(chan) ，對製造時間成本、製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計的CAD模型和無CAD模型兩(liang) 種情況，但都需要對實際模型進行進行數據采集掃描。

    模具掃描：采用PowerSHAPE Pro 可直接連接到全部主流激光掃描設備。隨著零件的掃描，掃描結果即時顯示在監視屏幕，確保掃描到所需的全部細節。強大的點編輯工具可刪除無用點，或是去除掃描數據中的任何雜點。可快速輕鬆合並獨立掃描形成的點雲(yun) ，產(chan) 生理想、完整的零件數據（圖2）。可分割大型或複雜點雲(yun) 數據，簡化數據，從(cong) 而加速大型數據模型的處理。

    掃描數據網格化：PowerSHAPE Pro 也提供了強大的網格操作工具，幫助您快速建模（圖3）。可通過平麵封頂或是光順、切矢連續的網格麵片，快速、輕鬆填充孔和間隙；使用交互式網格雕刻工具刪除缺陷，或是增加或刪除細節。可簡化網格區域或整理三角形，以改善擬合質量。使用直觀的對齊定位工具，可將網格對齊於(yu) 一已知方向，或是交互產(chan) 生新的用戶坐標係來指定基準位置。全部這些工具也都支持輸入的 STL 模型數據，這使 PowerSHAPE Pro 成為(wei) 能處理來自任何資源，任何形式的網格數據的理想再製造工具。

    根據掃描模型建模及模具設計：PowerSHAPE Pro 包含大量的曲麵和實體(ti) 建模工具，幫助您在最短時間完成項目。可通過網格產(chan) 生截麵，定義(yi) 實體(ti) 建模或曲麵建模中所需的線框形體(ti) 。擁有專(zhuan) 利的智能光標可捕捉模型上的擁有專(zhuan) 利的智能光標可捕捉模型上的關(guan) 鍵點，指導您產(chan) 生直線、圓弧和曲線，簡化模型建構過程（圖4、圖5）。可自動分區網格並擬合成標準體(ti) 素曲麵或實體(ti) 形狀，如圓柱、平麵、旋轉體(ti) 和擠出，加快棱柱形零件的建構。可使用光滑、高質量曲麵蒙皮模型中的複雜區域。可交互裁剪曲麵，產(chan) 生理想模型。可使用強大的實體(ti) 建模工具重新建構已完成的模型，整個(ge) 重構過程具有完整的特征建構曆史，方便隨後編輯。逆向工程是完全保型性應用，而我們(men) 這裏考慮的是對造型模型重新特征化，應屬於(yu) 再造工程。 

    四、模具及模型修複原理與(yu) 再設計 

    用一個(ge) 實際的案例來說明再製造模型修複，再製造模型修複在航空發動機葉片修複領域具有非常現實的意義(yi) ，通常飛機發動機葉片，在飛機飛行一定時間段後，需要檢修，飛機發動機葉片是重要的檢測項目，對惡劣工作環境產(chan) 生的損壞必須進修更換或修複；同理，模具使用的損壞可以采用同樣的技術進行改造，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對模具進行調整，然後進行加工修複損傷(shang) 的航空發動機葉片，需要首先要根據損壞情況進行激光熔敷焊接（圖6），熔敷焊接屬於(yu) 增材製造的重要形式，飛機發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範圍之內(nei) ，而且不同的葉片變形狀態也不會(hui) 一致，如果按照理論CAD模型對葉片進行再製造修複（圖7），將完全損壞該葉片，那麽(me) 我們(men) 就需要一個(ge) 自適應當前零件狀態的修複方案，自適應實際零件和理論CAD關(guan) 聯，並生成自適應加工可使用模型，該模型處理了精確的進氣邊、出氣邊位置；自動啟動程序生成係統，同時根據葉身檢測獲得的進氣邊、出氣邊也決(jue) 定精確的榫頭位置，並生成進氣邊、出氣邊及榫頭加工程序。#p#分頁標題#e#

    把再製造融入智能化元素，整個(ge) 的製造過程需要包括對經過激光熔敷焊接的葉片，在特製的具備在機檢測（Delcam OMV）功能的設備上進行數據采集，然後根據采集的數據進行造型，獲得當前真實零件的CAD模型，然後和理論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匹配，讓理論CAD模型按照相應的檢測規則自適應匹配到當前零件形狀，然後自動編程係統開始工作，生成數控加工設備加工代碼，驅動數控機床完成葉片加工；加工完成後，設備啟動在機檢測係統，對修複結果進行驗證，完成一個(ge) 工作。 

    五、增材製造和數控加工 

    關(guan) 於(yu) 3D打印取代傳(chuan) 統製造業(ye) 的描述隨處可見，但作為(wei) 製造業(ye) 從(cong) 業(ye) 人員來說，3D打印會(hui) 帶來一些製造形式的變革，是增材製造的重要表現形式，部分取代傳(chuan) 統機械加工形式存在可能，但也需要非常長的周期，我們(men) 這裏把增材製造和數控加工用於(yu) 再製造，分別取各自優(you) 勢，增材製造對損傷(shang) 零件填補和增加材料，數控加工保障最終精度，對於(yu) 增材製造來說但如果過分強調精度，效率將會(hui) 急劇下降，時間成本將難以承受。

    研究增材製造和3D打印的機構，較多都計劃或采用工業(ye) 機器人的形式進行研發和使用，下麵以一個(ge) 機械零件修複（再製造）的流程簡要說明（圖7），這是一個(ge) 有設計3D CAD模型的案例，基於(yu) 原理，對模具的損壞或修改也可以采用同樣的技術；該零件因使用原因損壞，該項目可以假設是遠洋貨輪上，該零件的損壞，會(hui) 導致遠洋貨輪不能行進；在雲(yun) 數據時代，該遠洋貨輪配備有以工業(ye) 機器人為(wei) 核心的一套柔性製造單元，對損壞的零件，根據需要，通常需要通過以下7個(ge) 步驟來進行：1、從(cong) 雲(yun) 端獲得設計3D CAD數據；2、柔性製造單元對損壞零件進行掃描；3、對齊點雲(yun) 和設計3D CAD數據；4、由點雲(yun) 形成STL模型；5、設計3D CAD數據與(yu) 缺損STL模型進行布爾運算，獲得缺損部分3D CAD數據；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後采用數控加工刀具對激光熔敷堆積部分進行精加工. 

    通過以上零件再製造流程的描述，包含STL模型和實體(ti) CAD模型的布爾運算，該功能是PowerSHAPE所特有的功能；同時機器人的應用，由過去的點位驅動，改變為(wei) 仿形加工，需要支持工業(ye) 機器人編程的PowerMILL，機器人離線編程讓機器人具備數控機床的功能，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(you) 勢同樣不可否認。對於(yu) 支持數控機床進行模具高效加工，PowerMILL同樣具有非常大的優(you) 勢，最新的MachineDNA&Vortex技術，是首次把數控機床DNA信息，植入數控編程係統的軟件，對於(yu) 提高零件、模具加工效率非常有意義(yi) ；模具和部件的再製造依然不能脫離數控機床。

MachineDNA&Vortex高效加工路徑（圖8）

    六、結語 

    本文重點是考慮通過現代隨著數字化技術的不斷進步，相應逆向掃描係統、數控機床等的普及而提出一些創新思路，充分發揮再製造的功能，無疑對人類社會(hui) 的持續發展具備積極作用；文中提到的航空發動機葉片修複技術，也是國內(nei) 外最為(wei) 先進的自適應加工係統的概述，同時也適用於(yu) 與(yu) 模具的修複；模具的數字化設計與(yu) 製造技術的研發和應用情況與(yu) 時具進，需要多學科技術的融合；關(guan) 於(yu) 模具複製的案例也是我們(men) 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於(yu) 3D打印的一種形式。

作者：Delcam中國 翟萬(wan) 略