金屬3D打印零件機(jī)械加工中的挑戰(zhàn)和解決方案

很多3D打印的金屬零件需要進(jìn)行機(jī)械加工來生成精密的表面，但由于3D打印零件往往是具有復(fù)雜幾何形狀的輕量化零件，這給后續(xù)的機(jī)械加工帶來了挑戰(zhàn)。在對3D打印零件進(jìn)行機(jī)械加工時(shí)需要考慮3D打印的剛度是否滿足機(jī)械加工的要求，如何用夾具夾持這些結(jié)構(gòu)復(fù)雜的3D打印零件等一系列的問題。我們通過增材制造專家分享的一個(gè)3D打印金屬零件機(jī)械加工案例，共同對3D打印零件機(jī)械加工中的挑戰(zhàn)和解決方案進(jìn)行探討。

3D打印是一種具有靈活性的技術(shù)，對設(shè)計(jì)的約束較少，借助3D打印技術(shù)設(shè)計(jì)師能夠?qū)崿F(xiàn)一些復(fù)雜的設(shè)計(jì)方案，例如：輕量化結(jié)構(gòu)、功能集成的一體式結(jié)構(gòu)。但是增材制造技術(shù)的這些優(yōu)勢，有時(shí)會(huì)因?yàn)橐�顧及到后續(xù)機(jī)械加工中所產(chǎn)生的挑戰(zhàn)而被減弱。如果在最初設(shè)計(jì)與制造增材制造零件時(shí)沒有充分考慮到后續(xù)機(jī)械加工中所面臨的挑戰(zhàn)，則可能因?yàn)榱慵�加工失敗而產(chǎn)生損失。

3D打印的零件通常需要通過機(jī)械加工來實(shí)現(xiàn)精確的圓孔和光滑平坦的表面，然后與其他零件裝配在一起。然而，3D打印零件所具有的復(fù)雜輕量化結(jié)構(gòu)有時(shí)會(huì)由于剛度不足而不能很好的適應(yīng)加工過程。此外，復(fù)雜的結(jié)構(gòu)也增加了對工件進(jìn)行安全裝夾的難度。

精加工的挑戰(zhàn)
1. 3D打印零件的剛度是否足以滿足機(jī)械加工過程中所承受的負(fù)載？零件是否會(huì)偏離刀具以及產(chǎn)生振動(dòng)，使得刀具振動(dòng)并導(dǎo)致較差的機(jī)加工效果？如果3D打印零件的剛度不足以滿足機(jī)械加工的要求，有哪些解決方案可以解決這些問題呢？

2. 如果剛度的問題得以解決，接下來面臨的挑戰(zhàn)是如何在機(jī)床上進(jìn)行對準(zhǔn)。3D打印零件在打印過程中可能存在一定的變形，缺少清晰的基準(zhǔn)，這意味著對3D打印零件進(jìn)行機(jī)械加工時(shí)，需要首先找到零件中“”好“”的部分。獲得零件的最優(yōu)5軸對齊是非常重要的。

雷尼紹（Renishaw）公司通過一個(gè)金屬3D打印的微波導(dǎo)桿，對3D打印零件精加工中所面臨的挑戰(zhàn)以及解決方案進(jìn)行了探索，從進(jìn)行機(jī)械加工前的準(zhǔn)備到最終完成零件的精加工，總共包括9個(gè)步驟。

左圖是用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)思路和制造方式制造的導(dǎo)桿，由幾個(gè)部分裝配而成；右圖是3D打印的導(dǎo)桿，這是一個(gè)一體式的零件，與原始零件相比，重量降低一半。這是一個(gè)為電信衛(wèi)星而設(shè)計(jì)的零件，對該零件主要的性能要求是輕量化和提高微波的傳播效率，以及減少該零件對衛(wèi)星有效載荷的空間要求。

解決方案
第1步- 建立預(yù)期的切削力
首先，通過實(shí)驗(yàn)來評(píng)估3D打印零件是否具有機(jī)加工所要求的足夠剛度。

動(dòng)力數(shù)據(jù)（Dyno Data）顯示了重復(fù)通過的負(fù)載，可以看到峰值力大約是中間值的兩倍。還可以嘗試不同深度的切削，了解它是如何影響零件上的負(fù)載的。

第2步-模擬切削力

通過模擬過程，發(fā)現(xiàn)在零件自由端周邊的法蘭邊緣加工導(dǎo)致明顯的偏轉(zhuǎn)（大于150微米），有限元分析也顯示出明顯的扭曲，這種情況可能導(dǎo)致切削不均勻。

第3步-初次切削試驗(yàn)
如果在以上這種情況下進(jìn)行機(jī)械加工，將遇到零件偏離刀具并回彈，表面產(chǎn)生振動(dòng)，刀具振動(dòng)等問題。出現(xiàn)這些問題的結(jié)果是，產(chǎn)生差的表面光潔度。

解決這些問題的方法是提高零件在切削過程中的剛度。有兩個(gè)步驟能夠提高剛度，一是調(diào)整3D打印零件的設(shè)計(jì)，第是改變機(jī)械加工過程中的夾持方式。首先我們來了解一下，如何通過調(diào)整設(shè)計(jì)來解決這些問題。

第4步-通過改變3D打印零件的設(shè)計(jì)應(yīng)對機(jī)加工的挑戰(zhàn)

改變3D打印零件設(shè)計(jì)的目標(biāo)是使零件變得更加堅(jiān)硬，在本案例中，設(shè)計(jì)師使用的方式是，為零件添加了連接零件兩端部件的支撐結(jié)構(gòu)，以減少在切削試驗(yàn)中看到的缺陷。

或者是在兩端部件之間添加連接的桁架結(jié)構(gòu)，這種方式較為復(fù)雜。通過調(diào)整設(shè)計(jì)方案來提升剛度的弊端是增加了零件所占的體積，這可能會(huì)影響到其他組件所需要占用的空間，降低設(shè)計(jì)的整體效率。還有一個(gè)值得注意的問題是，在常規(guī)的工件裝夾方式下，調(diào)整設(shè)計(jì)后的零件往往仍無法滿足機(jī)加工要求，這時(shí)就有必要重新考慮零件的裝夾方式。

第5步-重新考慮零件的裝夾方式
在本案例中，重新裝夾方式的具體方案是，為3D打印零件設(shè)計(jì)一個(gè)定制化的夾具，并用3D打印設(shè)備直接將定制化的夾具制造出來，減少了零件變形和表面被損傷的風(fēng)險(xiǎn)，使3D打印零件更加靠近加工特征，減少偏轉(zhuǎn)和振動(dòng)。

第6步-進(jìn)行定制化夾具的建模

在對夾具中的3D打印零件進(jìn)行有限元分析時(shí)，設(shè)計(jì)師發(fā)現(xiàn)可以通過對零件中“直”的結(jié)構(gòu)進(jìn)行更好的夾持來進(jìn)一步提升剛度。

第7步 機(jī)加工準(zhǔn)備
完成3D打印零件的設(shè)計(jì)調(diào)整和定制化夾具的設(shè)計(jì)、制造之后，就可以進(jìn)入到機(jī)械加工的準(zhǔn)備階段了。

圖為拓?fù)鋬?yōu)化的3D打印零件在柔性量規(guī)上測量，以產(chǎn)生5軸對準(zhǔn)，用于后續(xù)加工。

在此過程中，當(dāng)機(jī)械軸的線性和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)超出制造精確零件所需的公差時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤。在本案例中，工程師使用了的Renishaw 接觸式測頭和計(jì)量軟件NC-Checker 來識(shí)別和監(jiān)測這些問題。

第8步-零件設(shè)置
在常規(guī)的機(jī)械加工中，往往是先創(chuàng)建基準(zhǔn)面，然后使用這些特征來對齊和定位零件，以用于隨后的加工操作。但是對于本案例中的3D打印零件，沒有按照常規(guī)方法來進(jìn)行，這是因?yàn)榫�度基�?zhǔn)必須在生成所有其他表面之后被添加到最終加工操作中。

3D打印零件設(shè)置的挑戰(zhàn)是，通過零件的實(shí)際形狀來設(shè)置，這涉及到在所有計(jì)劃切削精密特征的區(qū)域理解零件的材料狀況，同時(shí)考慮到機(jī)械加工留量，零件的變形等因素。在本案例中，設(shè)計(jì)師試圖尋求在所有這些位置留下足夠材料，從而允許一致和有效的切削。在這一步驟仍可使用測頭和計(jì)量軟件，找到精加工的“最佳擬合”設(shè)置。

進(jìn)行精加工3D打印零件設(shè)置的另一種方式是，使用車間可編程的規(guī)格來測量零件并執(zhí)行對齊。此方法更適用于更大批量的應(yīng)用。

第9步-機(jī)械加工
通過上述8個(gè)步驟的的準(zhǔn)備，所得到的組件具有在公差范圍內(nèi)的臨界尺寸，并且表現(xiàn)出良好的表面光潔度。與早期的加工切削試驗(yàn)相比，刀具振動(dòng)和磨損大大降低。

機(jī)械加工通常是金屬3D打印工藝鏈中的一部分， 這也是一個(gè)具有逃戰(zhàn)和風(fēng)險(xiǎn)的過程，如果機(jī)械加工失敗，將導(dǎo)致一個(gè)有價(jià)值的3D打印零件報(bào)廢。如果在設(shè)計(jì)3D打印零件之初就能夠考慮到機(jī)械加工中所面臨的挑戰(zhàn)，將有助于降低失敗的風(fēng)險(xiǎn)。

來源：3D科學(xué)谷