电弧增材制造（金属3D打印）—薄壁零件制造

夏琦男 吴君敏

该项3D打印技术，以电弧增材制造（焊接堆焊）原理为基础，通过焊接头安装在机器人手臂端部进行施工，每次焊接都会沉积下少量焊料，如此积少成多而形成具有足够强度的金属棒材和结构。

运用这项技术，采用逐层堆焊方式制造金属实体构件，主要基于TIG、MIG/MAG等焊接技术发展而来，形成零件由电弧熔丝构成，化学成分均匀、致密度高，开放的成型环境对成型工件的尺寸理论上无限制。可用来制造低碳钢、不锈钢、铝合金、铜合金等多种材料零件。

本项目的制造无需机械加工或模具，直接从计算机图形数据中生成任何所需的形状， 极大地缩短了产品的生产周期，提高了生产率。尽管仍有待完善，但市场潜力巨大，势必成为未来制造业的众多突破技术之一。

本文以ABB1520ID机器人配合 Frontiers CMT焊机，加工薄壁类零件（花瓶）为例，简单阐述相关过程。

步骤一：三维模型设计

计算机3D建模是所有3D打印技术的前提。本次，我们采用SolidWorks软件来编辑三维模型，最后将建完的三维模型保存至STL格式。然而，仅仅只会简单使用三维建模软件是不够的，如果忽略了电弧堆焊的特点，打印就很容易失败。主要应注意以下几点：

1.模型必须具有水密性，也就是说模型不可以存在破面。

2.模型必须有一定的壁厚和体积，且壁厚必须与实际的焊接参数相适应。

3.所有模型的突出物不要超过45°，超过45°的需要额外增加支撑材料。

4.必须设计一个稳定的底座，这样既能增加模型的稳定性，又能增加刚性，控制焊接过程中的变形量。

5.模型需要预留容差度。由于金属焊接的特点，最后成型的工件会和3D模型有所误差，应在设计时充分考虑。

步骤二：模型切片

在3D打印中，切片处理及切片软件是极为重要的。切片的目的是要将模型以片层方式来描述。通过这种描述，无论零件多么复杂，对每一层来说却是很简单的平面。

现行市面上并没有针对于电弧堆焊而设计的专用切片软件，所以本次我们选用了Repetier-Host切片软件，该软件功能丰富，界面友好，简单易学。主要设置参数如表1：

步骤三：生产机器人程序

这一步是至关重要的一步，因为普通的3D打印机程序是以G代码形式编写的，而ABB机器人的程序却是完全独立的一个系统语言。两者之间没有联系，所以切片软件生成的程序无法直接用于机器人上，这就给我们带来了很大的麻烦。

最后，我们自行编写了一个用于程序间相互转换的程序，专门用于把切片软件生成的G代码程序转译成ABB机器人语言。当然，通过改写程序，我们也可以将改程序用于其他品牌机器人的转译工作。下面，我就简单介绍一下。

该程序主要分三步来转译程序：

1.读入文件：把由切边软件生成的文件导入程序。

2.去掉无效的语句：去掉除位置和焊接以外的全部无效指令。

3.生成语句：生成ABB机器人能够识别和使用的程序语言。

步骤四：焊接加工

启动机器人，通过U盘把编译好的程序导入机器人中，调节焊机至CMT焊接功能，设置焊接参数如下：

步骤五：后续处理

测量、检验，并处理不良或有缺陷的部位，使产品达到要求。

该项目的优点有：

1.大大缩短新产品研制周期，确保新产品上市时间。

2.提高了制造复杂零件的能力。

3.显著提高新产品投产的一次成功率。

4.支持同步（并行）工程的实施。

5.支持技术创新，改进产品外观设计。

6.无需开模具，成倍降低新产品研发成本。

该项技术目前还存在着许多不足之处，但前景广阔，具有很大的研究实用性。我相信在不久的將来，一定能完善该项技术。

[作者单位]

宁波技师学院

（编辑：栗国花）