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)計的約束較少,，借助3D打印技術(shù)設(shè)計師能夠?qū)崿F(xiàn)一些復(fù)雜的設(shè)計方案,，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,，有時會因為要顧及到后續(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)計與制造增材制造零件時沒有充分考慮到后續(xù)機(jī)械加工中所面臨的挑戰(zhàn)，則可能因為零件加工失敗而產(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)有時會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,？零件是否會偏離刀具以及產(chǎn)生振動，使得刀具振動并導(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,，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個步驟,。

左圖是用傳統(tǒng)設(shè)計思路和制造方式制造的導(dǎo)桿，由幾個部分裝配而成,；右圖是3D打印的導(dǎo)桿,，這是一個一體式的零件，與原始零件相比,，重量降低一半。這是一個為電信衛(wèi)星而設(shè)計的零件,，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,，通過實驗來評估3D打印零件是否具有機(jī)加工所要求的足夠剛度,。

動力數(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
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，刀具振動等問題,。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,。有兩個步驟能夠提高剛度,，一是調(diào)整3D打印零件的設(shè)計，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)計來解決這些問題。

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

改變3D打印零件設(shè)計的目標(biāo)是使零件變得更加堅硬,，在本案例中,，設(shè)計師使用的方式是，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,，這可能會影響到其他組件所需要占用的空間，降低設(shè)計的整體效率,。還有一個值得注意的問題是,，在常規(guī)的工件裝夾方式下，調(diào)整設(shè)計后的零件往往仍無法滿足機(jī)加工要求,，這時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)計一個定制化的夾具,，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,，使3D打印零件更加靠近加工特征,，減少偏轉(zhuǎn)和振動。

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,，設(shè)計師發(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)計調(diào)整和定制化夾具的設(shè)計,、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)運動超出制造精確零件所需的公差時，就會出現(xiàn)錯誤,。在本案例中,，工程師使用了的Renishaw 接觸式測頭和計量軟件NC-Checker 來識別和監(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，這是因為精度基準(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,，通過零件的實際形狀來設(shè)置，這涉及到在所有計劃切削精密特征的區(qū)域理解零件的材料狀況,，同時考慮到機(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相比，刀具振動和磨損大大降低,。

機(jī)械加工通常是金屬3D打印工藝鏈中的一部分， 這也是一個具有逃戰(zhàn)和風(fēng)險的過程,，如果機(jī)械加工失敗,，將導(dǎo)致一個有價值的3D打印零件報廢,。如果在設(shè)計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,。

來源：3D科學(xué)谷