金属材料的 3D 打印技术是金属切削加工的替代方案吗?

来源:荣格国际工业激光商情

发布时间:2019年4月12日上午 10:04:27

虽无法简单回答是或否,但是在生产制造精细的、有着复杂几何形状的 CNC 数控零件时, 将传统机械加工和金属 3D 打印的新技术相互结合起来是非常有意义的。

3 D 打印正在兴起:医用植入物材料、机械设备制造中的特殊解决方案甚至飞机零配件的生产制造都已经广泛的采用了 3D 打印技术了。这一新技术不断地征服新的工业领域,不断地开辟出新的应用市场。基于这一原因, 机械加工的从业者必须了解在什么情况下 3D 打印将会比金属切削加工更加经济、有利。

DMLS 制作的复杂几何体

在 3D 打印技术领域中,直接金属激光烧结(DMLS) 技术有着最重要的意义。DMLS 是一种技术领先的金属样件的增材制造技术方法,也是一种快速的、经济的生产制造金属原型机和零部件的制造技术,能够在几天内完成样机、样件的生产制造。特别适合生产铝合金、钛合金、不锈钢和铬镍铁合金的零部件。

DMLS 技术的优点是:可以加工出非常复杂的几何形状, 而如此复杂的几何形状是无法利用铣削技术来铣削的或者是利用传统的、去除材料的方法制造出来的。另外,3D 打印的零件是一层层喷涂金属粉末、激光烧结而成的 – 这样在精 整研磨时几乎不会出现废品,有着巨大的成本优势。同时通过激光烧结形成的理想的内部结构设计能够明显的减轻零件的重量,因此非常适合在轻量化制造中使用。

DMLS 的工艺过程

激光烧结中,极薄的粉末状金属材料一层层的喷涂在放置零件的底板上,然后用激光熔化一层层金属粉末,首先是被打印零件与底板之间的支撑结构,然后才是零件本身。在激光的照射下,粉末状的金属原材料被彻底熔化。当一层粉末状微焊接好、硬化之后就形成了一层坚硬的金属层。然后底板下降一层金属层的厚度尺寸,刮粉刀及喷粉机在平台上移动并喷射出下一层金属粉末。激光再将后一层与前一层微焊接到一起,直到打印出完整的零件。

支撑结构将 3D 打印的零件托离底板,保证了在零件打印和硬化过程中不变形。

完成 3D 打印之后,就可以从打印设备中取出 3D 打印的零件了;必要时,在保留零件的支撑部情况下对零件进行相应的热处理。最后,将零件从底板上取下来,去除支撑部,喷丸和去毛刺。

利用 DMLS 技术制造的零件密度很高,几乎达到了 100%, 这就保证了零件的机械性能与原材料相同。

在 3D 打印生产过程中,金属的粉末材料被加热融化,而生 产过程本身可以说是‘冷态’的;因为激光烧结的热能很快的被支撑结构传导出去了。另外,激光烧结过程中的热能也会导致金属零件内部产生一定的应力。在打印过程中,支撑结构能够承受这种应力,很好的支撑着被打印的零件,这就避免或者减小了零件的变形。

支撑结构的存在从而增加了零件的打印时间和后续精整的修整时间,因为 3D 打印零件要去除所有的支撑结构部分。 有着良好设计实践经验的设计师可以将支撑结构部分设计的最小。为了改进、优化支撑结构部的设计,3D 打印机供应商, 一般会为客户提供免费的可行性分析。在可行性分析的基础上,会提出零件设计的修改建议:哪些地方的几何形状要修改、如何修改才能增加零件的机械强度,如何减少凹陷部位, 如何调整并增强壁厚。另外,供应商会在报告中进一步的指明如何降低成本费用,如何改进完善产品性能和提高使用寿命。

像 Protolabs 公司这样的机械加工服务商可以利用多台相同的加工设备完成批量数较大的零部件生产加工。

DMLS 带来了航空航天领域中的创新

航空航天领域的零部件的结构设计要求在重量轻、体积小的前提下有着很高的承载性能。Isar 变速器技术两合公司利用金属打印技术打印了电力驱动的飞行器零部件和一种既可立式也可卧式安装使用的螺旋桨变速箱。这里的技术难度在于变速箱润滑系统的可靠性—不管是立式还是卧式—变速箱内部都需要有一个极窄的出油嘴。

因此,在完成了 3D-CAD 设计之后,Isar 急需验证一下理论设计是否可行,能否达到设计的承载能力,因此就急需一个可以承受载荷的原型件。传统的 CNC 数控加工技术无法胜任这种变速箱的生产制造,因为铣刀很难深入许多有着复杂几何结构的铣削部位,而重新设计定制一套专用的刀具设备更是费时费力。Isar 公司找到了技术力量非常强大的 3D 打印技术公司 Protolabs 公司,经过与技术专家的协商对话之后 Isar 公司最终决定采用金属激光烧结方法加工这一变速箱。给 Isar 公司领 导人 Albert Wimmer 博士留下深刻印象的是:很快的给出了报价,仅仅在 15 个工作日内就完成了合同规定的样件生产任务。 Protolabs 公司第一个样件为未来飞行器的研发提供了非常重要的信息 – 遗憾的是:到目前为止所有的这些信息还都处在我们无法得知的保密状态。

在受热的、逐层下降的底板上可以一次激光烧结多个零件。

Christoph Erhardt 先生在 3D 打印零件的结构设计和工艺设计中积累了丰富的经验,并愿意为用户提供服务。

最终结果要结合金属切削加工

在生产制造精细的、有着复杂几何形状的 CNC 数控零件时将切削加工和金属 3D 打印的新技术相互结合起来是非常有意义的。在加工有着严格公差要求和光洁度要求的零件时,3D 打印和切削加工是“技术绝配”,而且,零件结构越复杂,采用金属 3D 打印技术就越有意义。

 

 

本文译自德国 Werkstatt und Betrieb 杂志

作者:Christoph Erhardt

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