機械臂上裝有帶自動工具更換裝置驅動裝置和擠出頭。這樣，增材制造就可以和機加工工序和嵌入部件的集成結合在一起。

憑借自動化與功能集成帶來的巨大潛力，增材制造工藝必將改變塑料產品的生產。除了眾所周知的優(yōu)勢，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題?，F(xiàn)在，一種新的增材、減材生產混合概念提供了功能集成部件生產的經(jīng)濟型方法。

對于單個零部件的生產，增材制造法在幾何設計的自由度上具備極大的優(yōu)勢，這也可以用來將某些功能集成到組件之中（1-3）。與自動化加工類似，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。此外，通常必須進行后處理。

由于是分層構建，增材組件表面結構粗糙。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，鑒于目前工廠技術水平，將工藝與自動化進行結合的潛力極低。             

相比于增材制造，上述缺點對注塑、沖壓或機加工等生產工藝只產生較小影響。注塑技術量產得到的組件尺寸穩(wěn)定，能達到A級表面及較高的機械性能。然而，為達到這些優(yōu)勢，在某種程度上卻限制了設計自由度，更不用說個性化與定制了。機加工方面也是如此，與增材制造相比，可實現(xiàn)的組件復雜度十分有限（4）。不過，單個組件可獲得較高的質量與尺寸穩(wěn)定的表面（5）。

通過后處理達到想要的表面質量

增材制造組件的表面粗糙度不僅取決于對層厚的調整，也取決于所應用表面及構造平面布置的角度。位于亞琛的塑料加工協(xié)會（IKV）以一個試件（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：X1000，制造商：德國RepRap GmbH）制造，并應用共焦激光掃描顯微鏡（型號：VK-X200，制造商：Keyence公司）對其表面進行了形態(tài)構造分析。

圖1 樣本包含部件表面和建構平面不同角度的各個部分（來源：IKV）

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

圖2 單個部件不同區(qū)域（不同角度）的表面結構在各個加工步驟后所作的形態(tài)構造示例（來源：IKV）。

為了評估后續(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，試樣在隨后兩個步驟（上色和上光步驟）中進行了涂覆（圖3）。采用便攜式分光光度計（型號：spectro-guide球體光澤，制造商：BYK Chemie AG）進行了光澤測量，以量化表面質量。光澤測量結果與未涂覆試樣的表面光澤度一致。結果表明，涂層彌補了在拋光階段及第二階段打磨中產生的磨痕，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量。

不同步驟的替代集成方法

實際應用證明，對增材組件進行后續(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進行，但不能以經(jīng)濟的方式實現(xiàn)增材組件可重現(xiàn)的高光澤表面質量，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 分光光度計測得的光澤度隨著后加工所選的精細度而提高（來源：IKV）

為了以一種經(jīng)濟的方式實現(xiàn)恒定的尺寸穩(wěn)定性，增材制造組件應在自動化過程中再加工。因此，這并不會犧牲組件的復雜性，目的是在增材開發(fā)過程中交替整合進減材工藝。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)推出一種混合生產概念，通過組合不同的制造工藝，滿足個性化產品精確生產的需求。在集成的生產單元中，可以利用不同的工藝各自的優(yōu)勢（圖5）。借助于使用帶自動換刀系統(tǒng)的驅動裝置，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和流體流，且無泄漏。這樣可以確保驅動裝置的可操作性和刀具軸承準備就緒。

圖5 混合生產單元使得經(jīng)濟地生產單個功能一體化塑料部件成為可能（來源：IKV）

為了加工出標準顆粒，擠出機被設計成螺桿擠出方式。與傳統(tǒng)FLM相比，噴嘴前室壓力更高，其可以加工填充材料。擠出機重量為3.8公斤，是專為低熔融量應用設計的。它配備了直徑為16毫米、長度為110毫米的螺桿，可進行三階段加熱（兩個電加熱區(qū)，一個液控進料區(qū)）。驅動裝置與擠出機擁有單獨的扭矩傳感器。通過一只型號為HSK 25E的適配器傳遞旋轉動力運動。模板材料（標準?；┲糜谏a單元之外（6）。

圖6 基于所用擠出機技術的首次生產量測量顯示了擴大生產的潛力（來源：IKV）

利用螺桿擠出技術擴大產量

在初始生產量測量中，對熱塑性彈性體（杜邦）和ABS（A. Schulmann AG）（圖6）采用不同的螺桿速度。據(jù)證實，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量。這是因為一方面，顆粒的幾何形狀不同，另一方面，材料的流變屬性不同。 擠出機可以只根據(jù)測得的產量用CAM加工軟件校準即可。因此，首先，放料量應與定位系統(tǒng)的進給速度相匹配。然后，根據(jù)規(guī)定的層厚和放料水平測量出產生的壁厚。在2016 K展上，IKV首次展示了混合生產理念的具體樣例（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的幾何形狀可能性（ 來源：IKV）。

展望

如果能夠充分利用增材制造中的定位系統(tǒng)所具有的自動化功能，并在結構增層中與其它生產工藝進行特定的結合，就可以實現(xiàn)經(jīng)濟地生產單個功能集成塑料部件的目的。這樣生產出的部件表面品質高，可有嵌件。IKV正在考察所進行的項目從增材制造、減材制造到嵌件集成這一整個混合生產鏈。