Как наиболее разумно совместить 3D-печать металлом и обработку на станке с ЧПУ?

一, Технологическая взаимодополняемость: логический переход от «противостояния» к «симбиозу»
3D-печать металлом (на примере технологии SLM/DMLS) использует лазер для плавления металлического порошка слой за слоем, что позволяет одновременно создавать сложные внутренние конструкции. Его основные преимущества:
Прорыв в структурных степенях свободы: возможность создавать решетчатые конструкции, конформные каналы охлаждения, неровные поверхности и многое другое, чего не могут обычные станки с ЧПУ. Например, в корпусе определенного гидравлического клапана с помощью 3D-печати масляные контуры располагаются в шахматном порядке, что усложняет канал потока на 300%. Для обработки на станках с ЧПУ требуется много зажимов, и трудно обеспечить их герметичность.
Аддитивное производство не требует отходов материала, а коэффициент использования материала может превышать 90 %, что намного превышает показатель от 50 % до 70 % при обработке на станках с ЧПУ.
Возможность быстрого выполнения итераций: после изменения цифровой модели ее можно сразу же распечатать без необходимости переделки. Это сократило время, необходимое для разработки новых товаров, с месяцев до дней.
Но начальная точность (± 0,04 мм) и шероховатость поверхности (Ra12,5 мкм) 3D-печати затрудняют удовлетворение потребностей в высокоточной-точной сборке. Именно тогда обработка на станке с ЧПУ становится очень важной:
Коррекция размера: Чтобы компенсировать усадочную деформацию во время печати, следует фрезеровать направляющую поверхность станка с точностью ± 0,02 мм.
Обработка поверхности: прецизионное фрезерование повышает шероховатость поверхности с Ra12,5 мкм в литом состоянии до Ra1,6 мкм, а зеркальная полировка может даже повысить ее до Ra0,2 мкм.
Ключевая особенность механической обработки: ЧПУ отлично подходит для выполнения всех видов локальной обработки, например, для высокоточного изготовления торцевых поверхностей и высокоточных резьбовых отверстий.
2. Распространенным вариантом использования является ситуация, когда вам необходимо удовлетворить как сложную структуру, так и требования к точности.
1. В аэрокосмическом бизнесе необходим баланс между легкостью и способностью выдерживать большой вес.
Одна аэрокосмическая компания использует метод «3D-печать + ЧПУ» для изготовления камер сгорания двигателей:
Процесс 3D-печати: печать сложных форм с конформными охлаждающими каналами из Inconel 718, жаростойкого-сплава на основе никеля. Это делает конструкции на 35% легче и способными выдерживать температуры до 1200 градусов.
Процесс с ЧПУ: сверх-точная обработка уплотняющей поверхности до плоскостности 0,01 мм, обеспечивающая ее надежную работу в условиях высокого-давления.
Проверка эффекта: Производственный цикл на 60% короче, чем при стандартных методах литья и сварки, а усталостная долговечность вдвое больше.
2. Медицинские имплантаты: сочетание персонализации и биосовместимости
Как изготавливаются ортопедические имплантаты из титанового сплава:
3D-печать: используя данные КТ пациента, напечатайте пористую ножку бедренной кости с пористостью от 60% до 80% и размером пор от 200 до 500 мкм. Это будет имитировать форму естественных костных трабекул.
Обработка на станке с ЧПУ: точное фрезерование конической сопрягаемой поверхности, которая касается полости костного мозга, чтобы убедиться, что она соответствует уровню допуска H7 и обеспечивает биологическую фиксацию.
Обработка поверхности: пескоструйная обработка и анодирование делают поверхность более шероховатой, что помогает костным клеткам прилипать к ней.
3. Промышленные формы: хороший баланс между сложными каналами потока и хорошим охлаждением.
Определенная компания, производящая пресс-формы, использует смешанное производственное решение:
С помощью 3D-печати изготавливается стержень формы с тремя слоями внутренних каналов охлаждения одновременно. Это делает охлаждение на 30 % более эффективным и устраняет проблему утечек, возникающую при стандартном сращивании блоков.
Обработка на станке с ЧПУ: отполируйте поверхность разъема до Ra0,4 мкм, чтобы облегчить удаление пластиковых деталей.
Сравнение стоимости: стоимость одной детали снизилась на 42%, и нет необходимости беспокоиться об отходах пресс-формы из-за деформации сварки.
3. Путь интеграции процессов: улучшение всего процесса от проектирования до последующей-обработки.
1. Этап проектирования: оптимизируйте топологию в зависимости от ограничений производственного процесса.
DFAM (Проектирование для аддитивного производства): использование метода создания решетчатой ​​структуры для снижения веса вдвое при сохранении прочности.
Зарезервированный припуск на обработку: отложите 0,3–0,5 мм для элементов, требующих обработки на станке с ЧПУ, таких как сборочные поверхности и расположение отверстий. Это предотвратит влияние рисунков слоев печати на точность.
Оптимизация структуры поддержки: используйте анализ моделирования, чтобы сократить объем поддержки, обеспечивая при этом легкий доступ к инструментам ЧПУ. Например, опора для определенного авиационного кронштейна размещается на не-обработанной поверхности, что сокращает время обработки на станке с ЧПУ на 30 %.
2. Этап печати: совместная работа по настройке параметров и последующей-обработке.
Choose spherical powder (flowability>30 с/50 г), чтобы порошок распределился более равномерно и снизил пористость до менее 0,5%.
Технология термообработки включает отжиг для снятия напряжений при температуре 650 градусов в течение 2 часов и горячее изостатическое прессование (ГИП) для повышения плотности выше 99,9%.
Контроль направления: используйте программное обеспечение Magics, чтобы найти лучший угол для размещения элементов и сократить количество опор, необходимых для подвешивания конструкций.
3. Этап обработки на станке с ЧПУ: пяти-осевое соединение и интеллектуальная компенсация.
Пяти-осевой обрабатывающий центр. Система Siemens 840D используется для зажима и обработки сложных поверхностей за один проход, что предотвращает ошибки при позиционировании.
Технология цифровых двойников: использование моделирования Vericut для прогнозирования изменений в обработке и заблаговременное внесение корректировок в модель. Например, моделирование улучшило точность контура лопатки турбины с ± 0,05 мм до ± 0,02 мм.
При контроле станка: использование датчиков Renishaw для отслеживания размеров обработки в режиме реального времени и исправления ошибок, возникающих из-за износа инструмента.
4. Этап обработки поверхности: совмещение функционализации и орнаментации.
Пескоструйная обработка: используйте стеклянные шарики размером 120 меш, чтобы сделать поверхность шероховатой Ra3,2 мкм, чтобы покрытие лучше держалось.
Микродуговое оксидирование: нанесите керамическое покрытие толщиной 10 мкм на поверхность титанового сплава. Пленка имеет твердость 1000HV и в пять раз более устойчива к износу.
PVD-покрытие: нанесение покрытия TiN делает поверхность более твердой (2200HV) и придает ей золотистый вид.