Как добиться высокой-точности сборки после 3D-печати металлом?

1. Оптимизация конструкции: предотвращайте ошибки сборки до того, как они произойдут.
Динамическая компенсация и распределение допусков
Исходя из характеристик процесса печати (например, точность SLM ±0,05 мм и EBM ±0,1 мм), оставьте место для допусков сборки на этапе 3D-модели. Например, допуск на поверхность стыка лопаток турбины и диска авиационного двигателя должен составлять ± 0,02 мм. Функцию «горизонтальное расширение» можно использовать для компенсации усадки материала при печати (например, степень усадки титанового сплава составляет около 0,8%). Программное обеспечение для моделирования VoxelDance Engineering помогло компании Guangzhou Ruitong Additive Manufacturing улучшить компенсацию деформации зубных имплантатов. Это позволило снизить деформацию позиционирующего кольца с 0,3 мм до 0,1 мм, что устранило проблему точности сборки.
Стандартизированные интерфейсы и модульная конструкция
Использование традиционных методов подключения, таких как соединения по интерфейсу USB, а также врезных и шиповых конструкций в стиле Lego-, упрощает сборку. Например, гоночная модель OpenRC F1 имеет стандартизированные интерфейсы, которые позволяют пользователям легко заменять такие детали, как шины и хвостовые плавники. Сложные конструкции можно разбить на более мелкие отдельные части (такие как соединения, звенья и оболочки роботизированных манипуляторов), которые можно распечатать и собрать вместе независимо. Это облегчит исправление и обновление в дальнейшем.
Поддержка оптимизации и сращивания-печати лицевой стороной вниз.
Используйте поверхность, которую необходимо соединить, в качестве основы для печати и используйте плоскостность первого слоя, чтобы сделать стыковку более точной. Например, при печати двух полу-круглых моделей лицевой стороной вниз можно уменьшить влияние наложения слоев на строчку. Уменьшение площади контакта с помощью решетчатой ​​или конической опоры облегчает последующее удаление. Например, в изделиях из нержавеющей стали 316L используется техника сканирования в виде шахматной доски и сканирование со смещением контура, чтобы сделать поверхность менее шероховатой в диапазоне от Ra12 мкм до Ra3,2 мкм.
2. Контроль процесса: точное управление настройками печати.
Оптимизация плотности энергии
Форму расплавленной ванны можно регулировать, изменяя мощность лазера, скорость сканирования и толщину слоя. Это может помочь предотвратить такие проблемы, как сфероидизация и неполное слияние. Например, плотность энергии титанового сплава Ti6Al4V должна поддерживаться в пределах от 60 до 120 Дж/мм³. Если мощность слишком мала или скорость слишком высока, сила межслойного соединения может быть недостаточно сильной. Если плотность энергии слишком высока, это может привести к растрескиванию под термическим напряжением.
Поддержание чистоты воздуха и правильной температуры
Чтобы металл не окислялся, на каждом этапе добавляется аргон или азот высокой-чистоты (с содержанием кислорода менее 0,1%). Например, предварительный нагрев подложки до 150–200 градусов перед печатью алюминиевого сплава AlSi10Mg помогает снизить термическое напряжение и остановить деформацию. Кроме того, использование технологии многолучевого совместного сканирования позволяет равномерно распределить подвод тепла и снизить остаточное напряжение.
Мониторинг онлайн и предоставление обратной связи в замкнутом цикле
Использовались инфракрасные термометры, камеры ванны расплава и другие датчики, чтобы следить за температурным полем и формой ванны расплава в режиме реального времени во время печати. Например, одна компания использует алгоритмы искусственного интеллекта, чтобы отслеживать изменения ширины ванны расплава, автоматически изменять мощность лазера и снижать пористость с 0,5% до менее 0,1%, что значительно увеличивает плотность материала.
3. Технология пост-обработки: улучшение качества поверхности и сохранение формы.
Термическая обработка избавляет от напряжений внутри материала.
Отжиг, например, нагрев титанового сплава в аргоне при температуре 800 градусов в течение двух часов, позволяет избавиться от остаточного напряжения, которое накапливается во время печати, и остановить деформацию во время сборки. Закалку и отпуск можно использовать, чтобы сделать высокопрочные детали более твердыми и прочными. Примером могут служить детали из жаропрочных-сплавов на основе никеля, обработанные горячим изостатическим прессованием (HIP). Их плотность составляет почти 100%, а усталостная прочность возросла более чем на 30%.
Прецизионная механическая обработка и обработка поверхности, выполняемая станками
Обработка на станке с ЧПУ: для функциональных поверхностей, таких как сопрягаемые поверхности подшипников, оставляйте зазор 0,1–0,3 мм. Используйте пяти-станок с ЧПУ с рычажным механизмом, чтобы добиться точных требований к плоскостности 0,02 мм и шероховатости Ra3,2.
Электролитическая полировка — это процесс, в котором используются электрохимические принципы для устранения небольших неровностей на поверхности деталей из алюминиевого сплава. Это снижает шероховатость поверхности с Ra6 мкм до Ra0,2 мкм и создает пассивирующий слой, делающий детали более устойчивыми к коррозии.
Используя Al ₂ O3 или стеклянные шарики для удара по поверхности на высокой скорости, пескоструйная обработка избавляет от остатков порошка и придает поверхности более однородный вид. Например, одна компания использовала пескоструйную обработку, чтобы довести шероховатость поверхности 3D-напечатанных имплантатов из титанового сплава до Ra1,6 мкм, что помогло костным клеткам прилипнуть к ним.
Компенсация деформации, основанная на моделировании
Вы можете использовать такое программное обеспечение, как VoxelDance Engineering, чтобы смоделировать весь процесс печати, угадать, как все изменится, и создать модели для компенсации. Конкретная компания, например, снизила деформацию деталей после настройки моделирования с 0,5 мм до 0,05 мм для топливных форсунок авиационных двигателей и сделала монтажный зазор ровнее на 80%.
4. Планируйте, как все собрать: регулярно проверяйте, чтобы все было правильно.
Очень жесткая платформа для сборки вещей
Использование основы высокой-жесткости, точной системы передачи и направляющих, а также комплексной конструкции позволяет уменьшить влияние деформации оборудования на соосность сборки. Например, на сборочной линии двигателей роботов-гуманоидов применяется адаптация к окружающей среде (например, поддержание постоянной температуры), чтобы сократить количество системных ошибок.
Сборка для визуального позиционирования и контроля силы
Добавьте высокоточную-систему технического зрения, чтобы определять положение и направление важных деталей, таких как статор и ротор, и компенсировать любые ошибки, допущенные во время сборки. В то же время в конце установлены встроенные датчики контроля силы, которые позволяют отслеживать изменения силы и крутящего момента в реальном времени в нескольких направлениях, что делает возможным «гибкое вставление». Например, одна компания использует технологию контроля силы, чтобы предотвратить изменение узла двигателя и прижимной силы более чем на ± 5 Н, что предотвращает разрушение подшипников.
Обратная связь в замкнутом контуре и возможность отслеживания данных
Сбор данных о давлении, смещении, крутящем моменте и других факторах в режиме реального времени во время процесса сборки и сравнение их с заранее определенным окном процесса. Система автоматически поднимет тревогу или примет меры, если что-то пойдет не так. Например, одна компания ведет отдельные записи процесса сборки для каждого двигателя робота-гуманоида, обеспечивает статистический контроль процесса (SPC) и отслеживание качества, а также обеспечивает стабильность партий выше 99,9%.
5. Отраслевые примеры и тенденции, которых стоит ожидать
Область аэрокосмической промышленности
GE Aviation использует технологию SLM для печати топливных форсунок двигателей LEAP. Таким образом, 20 частей объединяются в одну, что делает ее на 25% легче и служит в 5 раз дольше. Благодаря сочетанию оптимизации параметров печати и точной обработки с ЧПУ точность сборки составляет ± 0,01 мм.
Область медицинских имплантатов
Компания Johnson&Johnson DePuy Synthes использует вертлужные чашки из титанового сплава, напечатанные на 3D-принтере, чтобы сохранить гладкость поверхности ниже Ra0,8 мкм с помощью электролитической полировки. Это, в сочетании с пористой структурой, ускоряет развитие костей на 40%.