Hoe bereik je een hoge-precieze assemblage na het 3D-printen van metaal?

1. Ontwerpoptimalisatie: stop montagefouten voordat ze zich voordoen.
Dynamische compensatie en tolerantieverdeling
Laat op basis van de kenmerken van het printproces (bijvoorbeeld SLM-nauwkeurigheid ± 0,05 mm en EBM ± 0,1 mm) ruimte voor assemblagetoleranties in de fase van het 3D-model. Zo moet het oppervlak waar de turbinebladen en de schijf van een vliegtuigmotor samenkomen binnen een tolerantie van ± 0,02 mm worden gehouden. De functie "horizontale expansie" kan worden gebruikt om de krimp van het materiaal tijdens het printen te compenseren (de krimpsnelheid van een titaniumlegering is bijvoorbeeld ongeveer 0,8%). VoxelDance Engineering-simulatiesoftware hielp Guangzhou Ruitong Additive Manufacturing Company bij het verbeteren van de vervormingscompensatie van tandheelkundige implantaten. Hierdoor werd de vervorming van de positioneringsring teruggebracht van 0,3 mm tot binnen 0,1 mm, waardoor het probleem van de nauwkeurigheid van de montage werd opgelost.
Gestandaardiseerde interfaces en modulair ontwerp
Gebruikmakend van conventionele verbindingsmethoden zoals USB-interfaceverbindingen en pen- en gatconstructies in Lego--stijl om de montage eenvoudiger te maken. Het OpenRC F1-racemodel heeft bijvoorbeeld gestandaardiseerde interfaces waarmee gebruikers gemakkelijk onderdelen zoals banden en staartvinnen kunnen verwisselen. Voor ingewikkelde constructies kunnen ze worden opgedeeld in kleinere, afzonderlijke onderdelen (zoals verbindingen, schakels en schalen van robotarmen) die onafhankelijk kunnen worden afgedrukt en in elkaar worden gezet. Dit maakt het gemakkelijker om later problemen op te lossen en te upgraden.
Ondersteun optimalisatie en face{0}}down printsplitsing
Gebruik het oppervlak dat moet worden gesplitst als printbasis en gebruik de vlakheid van de eerste laag om het verbinden nauwkeuriger te maken. Als u bijvoorbeeld twee half-ronde modellen afdrukt, kan de afbeelding naar beneden gericht ervoor zorgen dat het stiksel minder wordt beïnvloed door gelaagdheid. Door het contactoppervlak te verkleinen met rooster- of conische ondersteuning, is het achteraf gemakkelijker te verwijderen. Voor artikelen gemaakt van 316L roestvrij staal wordt bijvoorbeeld een schaakbordscantechniek en contour-offsetscanning gebruikt om het oppervlak minder ruw te maken, gaande van Ra12 μm tot Ra3,2 μm.
2. Procesbeheersing: nauwkeurig beheer van printinstellingen
Optimaliseren van de energiedichtheid
U kunt de vorm van het gesmolten zwembad regelen door het laservermogen, de scansnelheid en de laagdikte te wijzigen. Dit kan problemen zoals sferoïdisatie en onvolledige fusie helpen voorkomen. Zo moet de energiedichtheid van de titaniumlegering Ti6Al4V tussen 60 en 120 J/mm³ worden gehouden. Als het vermogen te laag is of de snelheid te hoog, is de hechtkracht tussen de lagen mogelijk niet sterk genoeg. Als de energiedichtheid te hoog is, kan dit thermische spanningsscheuren veroorzaken.
Houd de lucht schoon en de temperatuur goed
Om te voorkomen dat het metaal oxideert, wordt bij elke stap zeer zuiver argon- of stikstofgas (met een zuurstofgehalte van minder dan 0,1%) toegevoegd. Als u het substraat bijvoorbeeld voorverwarmt tot 150–200 graden voordat u de AlSi10Mg-aluminiumlegering afdrukt, kunt u de thermische spanning verlagen en kromtrekken voorkomen. Bovendien kan het gebruik van multi{7}}samenwerkingsscantechnologie de warmte-inbreng gelijkmatig verspreiden en de restspanning verminderen.
Online monitoren en feedback geven in een gesloten lus
Gebruikte infraroodthermometers, smeltbadcamera's en andere sensoren om tijdens het afdrukken het temperatuurveld en de vorm van het smeltbad in realtime in de gaten te houden. Eén bedrijf gebruikt bijvoorbeeld AI-algoritmen om te kijken naar veranderingen in de breedte van het smeltbad, automatisch het laservermogen te variëren en de porositeit te verlagen van 0,5% naar minder dan 0,1%, waardoor de dichtheid van het materiaal aanzienlijk toeneemt.
3. Na-verwerkingstechnologie: het oppervlak beter maken en zijn vorm behouden.
Warmtebehandeling verwijdert spanningen in het materiaal.
Gloeien, zoals het twee uur lang verhitten van een titaniumlegering in argon op 800 graden, kan de resterende spanning wegnemen die zich tijdens het printen opbouwt en vervorming tijdens de montage tegengaan. Afschrikken en temperen kunnen worden gebruikt om onderdelen met een hoge-sterkte harder en taaier te maken. Een voorbeeld hiervan zijn op nikkel-gebaseerde hoge--temperatuurlegeringsonderdelen die zijn behandeld met heet isostatisch persen (HIP). Hun dichtheid is bijna 100% en hun vermoeiingssterkte is met meer dan 30% gestegen.
Precisiebewerking en oppervlaktebehandeling door machines
CNC-bewerking: laat bij functionele oppervlakken, zoals de pasvlakken van lagers, een ruimte van 0,1–0,3 mm vrij. Gebruik een CNC-bewerkingsmachine met vijf--assen om nauwkeurige vereisten van een vlakheid van 0,02 mm en een ruwheid van Ra3.2 te bereiken.
Elektrolytisch polijsten is een proces waarbij gebruik wordt gemaakt van elektrochemische principes om kleine oneffenheden op het oppervlak van onderdelen van aluminiumlegeringen te verwijderen. Hierdoor wordt de oppervlakteruwheid verlaagd van Ra6 μm ​​naar Ra0,2 μm en ontstaat er een passivatielaag die de onderdelen beter bestand maakt tegen corrosie.
Door gebruik te maken van Al₂ O3 of glasparels om het oppervlak met hoge snelheid te raken, verwijdert de zandstraalbehandeling het overgebleven poeder en zorgt ervoor dat het oppervlak er consistenter uitziet. Een bepaald bedrijf maakte bijvoorbeeld gebruik van zandstralen om de oppervlakteruwheid van 3D-geprinte implantaten van titaniumlegeringen aan te passen tot Ra1,6 μm, waardoor botcellen eraan bleven kleven.
Vervormingscompensatie aangedreven door simulatie
Je kunt software als VoxelDance Engineering gebruiken om het hele printproces te simuleren, te raden hoe de dingen zullen veranderen en modellen te maken ter compensatie. Een specifiek bedrijf heeft bijvoorbeeld de vervorming van onderdelen na simulatie-aanpassing teruggebracht van 0,5 mm naar 0,05 mm voor brandstofsproeiers van vliegtuigmotoren en de montagespeling met 80% gelijkmatiger gemaakt.
4. Plan om alles in elkaar te zetten: Zorg ervoor dat alles regelmatig klopt
Een platform om dingen in elkaar te zetten dat erg stijf is
Gebruikmakend van een hoge-stijfheidsbasis, een nauwkeurig transmissie- en geleidingssysteem en een geïntegreerd ontwerp om het effect van vervorming van de apparatuur op de coaxialiteit van het samenstel te verminderen. In de assemblagelijn voor humanoïde robotmotoren wordt bijvoorbeeld gebruik gemaakt van een ontwerp voor aanpassing aan de omgeving (zoals het consistent houden van de temperatuur) om het aantal systeemfouten te verminderen.
Montage voor visuele positionering en krachtcontrole
Voeg een zeer-precisievisiesysteem toe om de positie en richting van belangrijke onderdelen, zoals de stator en rotor, te vinden en eventuele fouten tijdens de montage goed te maken. Tegelijkertijd worden aan het uiteinde geïntegreerde krachtcontrolesensoren geplaatst om veranderingen in kracht en koppel in realtime in verschillende richtingen in de gaten te houden, waardoor "flexibel inbrengen" mogelijk wordt. Eén bedrijf maakt bijvoorbeeld gebruik van krachtcontroletechnologie om te voorkomen dat de motorconstructie en de perskracht met meer dan ± 5N veranderen, waardoor de lagers niet breken.
Feedback in een gesloten lus en de mogelijkheid om gegevens te traceren
Het in realtime verzamelen van gegevens over druk, verplaatsing, koppel en andere factoren tijdens het assemblageproces en deze vergelijken met het vooraf bepaalde procesvenster. Het systeem slaat automatisch alarm of onderneemt actie als er iets misgaat. Eén bedrijf maakt bijvoorbeeld afzonderlijke registraties van het assemblageproces voor elke humanoïde robotmotor, biedt statistische procescontrole (SPC) en traceerbaarheid van de kwaliteit, en zorgt ervoor dat de batchconsistentie beter is dan 99,9%.
5. Sectorcases en trends om naar uit te kijken
Gebied van de lucht- en ruimtevaart
GE Aviation maakt gebruik van SLM-technologie om brandstofsproeiers voor LEAP-motoren te printen. Dit combineert 20 stuks in één, waardoor het 25% lichter is en 5 keer langer meegaat. Dankzij de gecombineerde controle van printparameteroptimalisatie en CNC-precisiebewerking bedraagt ​​de assemblagenauwkeurigheid ± 0,01 mm.
Gebied van medische implantaten
Johnson&Johnson DePuy Synthes maakt gebruik van 3D-geprinte acetabulumcups van titaniumlegering om het oppervlak glad te houden onder Ra0,8 μm door middel van elektrolytisch polijsten. Dit, samen met een poreus structureel ontwerp, versnelt de botontwikkeling met 40%.