Необходимо ли выполнять прецизионную обработку на станке с ЧПУ после 3D-печати металлом?

1. Суть технологии: способность аддитивных и субтрактивных материалов работать вместе.
Основное различие между прецизионной обработкой с ЧПУ и 3D-печатью металлом заключается в том, что заставляет их работать вместе в производственном процессе:
Различные способы формирования
3D-печать металлом создает вещи путем плавления металлического порошка по одному слою за раз. На поверхности видны типичные слои и следы ванн расплава. Могут быть проблемы с микроструктурой, например, несплавившийся порошок и микропоры. Прецизионная обработка с ЧПУ использует резку инструмента для удаления материалов, создавая зеркальный эффект с Ra0,8 мкм или ниже, и позволяет контролировать допуски на размеры с точностью до ± 0,01 мм.
Ограничение возможностей процесса
3D-печать имеет некоторые преимущества. Например, он может создавать сложные конструкции, которые трудно изготовить с использованием старых методов, такие как конформные каналы охлаждения, решетчатые конструкции для снижения веса и полости со многими углами. Например, в одной из лопасть авиационного двигателя используется 3D-печать, чтобы сделать внутреннюю полость, что снижает вес на 40%, сохраняя при этом прочность конструкции.
Преимущества обработки на станках с ЧПУ: более эффективная обработка обычных форм, таких как плоскости и цилиндры, и отсутствие необходимости справляться с остатками несущих конструкций. Например, фрезерование на станке с ЧПУ позволило добиться шероховатости поверхности трансмиссионного вала определенного автомобиля Ra0,4 мкм, что соответствует требованиям износостойкости для высокой-скорости вращения.
Тенденция гибридного производства
Гибридный метод «3D-печать + прецизионная обработка с ЧПУ» становится стандартом в отрасли. Например, компания, производящая прецизионные формы, использует 3D-печать для изготовления сердцевины формы с тремя слоями внутренних каналов охлаждения. Затем они применяют обработку на станках с ЧПУ, чтобы сделать процесс охлаждения на 30% более эффективным и сократить время доставки с 14 до 5 дней.
2. Требования отрасли: различные критерии шероховатости поверхности.
В разных отраслях существуют разные потребности в качестве поверхности, что напрямую влияет на необходимость прецизионной обработки с ЧПУ:
Область аэрокосмической промышленности
Детали должны выдерживать суровые условия (высокая температура, высокое давление и высокое напряжение), а дефекты поверхности могут привести к усталостным трещинам.
Типичным примером является то, что обработка на станке с ЧПУ снижает шероховатость уплотняющей поверхности с Ra12 мкм до Ra0,8 мкм при 3D-печати определенного типа сопла ракетного двигателя. Это продлевает срок службы уплотнения при высоких температурах от 50 до 200 раз.
Выбор процесса: ключевые детали, такие как уплотнительные поверхности и сопрягаемые поверхности, должны быть обработаны с высокой точностью на станке с ЧПУ. Не-несущие поверхности могут сохранять напечатанные текстуры для снижения веса.
Область медицинских имплантатов
Основное требование: шероховатость поверхности влияет на вероятность прикрепления костных клеток и размножения бактерий.
Протез тазобедренного сустава из титанового сплава должен иметь качество поверхности Ra1,5–2,5 мкм, чтобы кость могла врастать в него. Некая компания производит протезы тел с помощью 3D-печати. Затем, чтобы сделать поверхность более гладкой до Ra0,8 мкм, они используют комбинацию химической полировки и полировки на станке с ЧПУ. При этом сохраняется микропористая структура, созданная путем печати, что делает тело более совместимым с живыми существами.
Выбор правильного процесса: функциональная поверхность требует точной резки с ЧПУ, тогда как структурная поверхность может сохранять напечатанную текстуру.
В мире бытовой электроники
Гладкость поверхности является ключевым фактором, влияющим на внешний вид продукта и его оптические характеристики.
В типичном сценарии обработка на станке с ЧПУ позволила снизить шероховатость поверхности крепления камеры мобильного телефона, напечатанного на 3D-принтере, с Ra3,2 мкм до Ra0,05 мкм. Это позволило монтировке отражать больше видимого света — с 85% до 92%, что и нужно лазерным системам связи.
Выбор процесса: оптическая поверхность должна быть обработана с точностью на станке с ЧПУ, тогда как структурная поверхность может сохранять напечатанную текстуру.
Энергетика и производство пресс-форм: качество поверхности должно обеспечивать баланс между устойчивостью к коррозии и простотой обработки.
Для изготовления конформного канала охлаждения использовался 3D-напечатанный литьем под давлением сердечник автомобиля. Затем его подвергли пескоструйной очистке, чтобы сделать поверхность менее шероховатой, от Ra15 мкм до Ra6,3 мкм. Это увеличило срок службы формы со 100 000 использований до 500 000 использований.
Выбор процесса. Для поверхностей, которые не соприкасаются, можно использовать недорогие-методы, например пескоструйную очистку. Для поверхностей, которые соприкасаются, необходима прецизионная обработка на станке с ЧПУ.
3. Экономическая-эффективность: экономическая логика выбора процесса
Чтобы решить, использовать ли прецизионную обработку с ЧПУ, вам необходимо тщательно проанализировать техническую возможность, цикл поставки и стоимость производства.
Оценка технической осуществимости
Структурная сложность. Если продукт имеет элементы, которые сложно изготовить с помощью ЧПУ (например, поперечные отверстия внутри или тонкостенные-конструкции), единственным выбором может стать 3D-печать. Например, 3D-печать позволяет полностью создать камеру сгорания конкретного авиадвигателя, что позволяет избежать проблем с концентрацией напряжений, которые могут возникнуть при использовании традиционных методов сварки.
Требование к точности: прецизионная обработка на станке с ЧПУ необходима, если требования к допускам превышают возможности 3D-печати (например, ± 0,01 мм). Например, заготовка для высокоточного-шестерни изготавливается с помощью 3D-печати, а шлифовка на станке с ЧПУ повышает точность профиля зуба с уровня IT8 до уровня IT5.
Оптимизация цикла доставки
Для срочных заказов 3D-печать может пропустить этап разработки формы и быстро отреагировать на «доставку дизайнерской печати». Например, компания, производящая новые энергетические автомобили, использовала 3D-печать для изготовления прототипа кронштейна аккумуляторной батареи. Вся процедура, от проектирования до сборки, заняла всего 48 часов.
Если размер партии большой (более 1000 штук), обработка на станке с ЧПУ может оказаться дешевле для серийного производства. Компания-производитель стандартных деталей может использовать пакетную обработку соединений из алюминиевого сплава на станке с ЧПУ, чтобы сделать отдельное изделие на 60% дешевле, чем 3D-печать.
Контроль общей стоимости доставки
При использовании обработки на станке с ЧПУ вам необходимо учитывать неявные расходы, такие как программирование, зажим и тестирование пресс-формы. С другой стороны, 3D-печать может снизить стоимость инструментов и риск итераций проектирования. Например, 3D-печать позволяет изготовить сложную конструктивную деталь одновременно, сокращая время, необходимое для смены инструментов и технологических процессов, на 70%.
Коэффициент использования материала: при обработке на станках с ЧПУ обычно используется от 50% до 70% материала, а при 3D-печати может использоваться более 90%. Например, с помощью 3D-печати изготавливается конкретный предмет из титанового сплава, который стоит на 40% дешевле, чем фрезерование на станке с ЧПУ.