创想智造3D打印手板模型加工

标题: 增材制造的特质 [打印本页]

作者: 3D新闻 时间: 2016-3-26 18:05
标题: 增材制造的特质
下面的这张照片是我在一家推广增材制造技术的组织看到的，是哪家组织不重要，因为很多营销技术的公司都创建了我说的这类图像。这类图像可能是由一位年轻的工程师悠然自得地从3D打印机中抽出的一个复杂成品零件。

这张照片不一定是假的。然而，它会给人一种不真实的感觉。换言之，它给人一种增材制造是简单的，可以轻松得到需要的零件，这正是与其他制造工艺的不同之处。
实际上，这正是“3D打印”一词不成功的地方。这个词暗示直接数字化制造是无缝的、一步到位，就像文件打印机一样。坦白地讲，真不是这样。

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图1 增材制造中重要的工艺考虑因素包括：在增材生产期间零件的支撑及零件方向。这些选择是相互关联的，从CIMP-3D机构增材生产的带有垂直翅片的“笼状”零件就可以看出

然而，我这样说，并不是在给增材制造前景抹黑。因为它提供的设计自由，加上其处理少量订单时的效率、其提供的合并组装机遇、节约材料和降低重量等好处，增材制造看似必定成为零件生产的一个健全的、得到认可的方案。但是，与其他制造方案一样，增材制造有自己的零件和工艺需求。它有自己的工程考虑因素，甚至提供了大量失败空间，尤其是将增材制造用于金属零件的加工，其未来的学习道路还很长。

一家帮助完成该学习道路的组织为位于宾夕法尼亚州立大学的直接处理沉积实现创新材料加工中心，又称为CIMP-3D。这所大学的学院与对增材制造感兴趣的公司合作，探索直接金属激光烧结(DMLS)、电子束增材制造和激光金属沉积等工艺。CIMP-3D的价值在于可以引导公司研究变量，得到适用于组织自身特殊、专有持续生产的增材制造工艺，帮助公司更快地度过增材制造的试验。

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  图2 这是飞机上一个现有金属托架的塑料模型。优化设计在近景中，可以采用增材工艺生产，能够满足托架的设计要求，而零件重量将减少88%。想要得到这种优化零件形状，需要使用很多设计师都不熟悉的软件工具

  这些变量是什么?我最近有机会同该中心的机械与工业工程教授和副主管Timothy W. Simpson博士以及CIMP-3D研发工程师Corey Dickman探讨了这个问题。增材工艺中的一些变量为特殊增材制造及其可调整参数，例如，使用DMLS机床可以根据不同工作和不同合金的需求，改变激光功率和光束直径。然而，其他考虑因素可能是增材制造性质通用的。跟CNN加工输入参数的影响一样(如切削机选择、进料速度及夹具的刚性)，增材制造也有影响其是否成功的输入参数，而且这些输入参数需要增材制造用户学习很长一段时间，说明这些输入有助于应用增材制造生成一个更现实的图片。因此，增材制造的用户需要学习这些因素：

  ●拓扑学
  有人说增材制造不太适用于复杂的零件。实际上，它适用在数字层面上，开发一种零件意味着易于创建一种重量更轻的复杂结构。然而，更丰满的现实是，实际上增材制造喜欢这种复杂性。定制完全与零件需要承受的载荷和需要执行的服务匹配的零件形状，产生一种使用材料更少、需要支持更少的增材结构，而且在零件制造过程中产生残余应力的可能性更小。

  图2给出了一个实例。在通用电气赞助的竞赛中，宾夕法尼亚州立大学的研究生Jessica Menold 提交的竞赛作品是重新设计的飞机头架。如果使用金属生产她的设计，重量将比之前使用的轻88%，同时还能满足该零件的设计要求。

  然而，工程师如何寻求这类设计优化呢?也就是知道什么材料可以产生减法效果，以及什么结构最终符合该零件的负载路线?大部分设计工程师无需面对这些问题，因为他们工作中受到的制造行业的约束太多，以至于他们并不觉得受到了约束。换言之，设计师往往需要从一个结实的模块或半网状结构开始，然后加工材料，得到外部特征。详尽的形状不在他们的考虑范围内，因为加工无法生产出来。摒除这个限制，产生的自由空间太大，又让设计师感到无助，不知道选择什么形状。这正是增材制造需要不同的设计方法的原因。

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  图3 支架是影响给定零件的循环时间和材料使用的一个重要考虑因素，此增材制造零部件的支撑结构占其生产时间的一半

  ●支持
  使用虚假增材制造图片的一个问题在于，从表面上看，“打印”零件是一种驾轻就熟的事情，这张图片忽略了在建设期间需要的物理支持的数量。在金属增材制造中，因为增加了新的添加剂层，支撑机构帮助转走零件的热量，还有助于在成型期间保持零件形状。增材零件生产设计中的典型步骤是设计其支撑结构。

  图3给出了这些制成结构能够有多广泛的实例。在学生设计赛车竞赛中，宾夕法尼亚州立大学本科生Vincent Maranan提交的作品是一个零部件，即使用增材制造生产车轮支柱(连接轮縠和制动钳到悬臂上)。在这个零件上，需要支架保持弓状特征、三角形顶点及大中心孔，而且这些特点占此零件构建时间的50%。

  在构建完成后，如何拆除该支架?金属零件的增材制造尚无自动执行此步的方式。因此可能有点奇怪，最先进的金属加工技术往往得到最粗糙的结果。通过增材制造技术生产的最终使用生产零件上的支架往往需要使用人工工具拆除，包括锤子和凿子。

  ●方向
  上一个实例中的零件是否必须像鲨鱼翅一样竖立在空中?可能不是，可以将之放在侧面。此布置需要的支撑材料可能更少一些，而且需要覆盖的垂直高度更少，构建时间会短很多。但是在此方向，一些零件特征可能无法准确形成。以接近45°角的形式制造该零件，可能是一个有效的折中方式。在增材制造中，找到合适的零件方向是找到最有效工艺的重要方面之一。

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  图4 零件方向影响的两个图示，它们是三家不同的增材制造供应商生产的，得到的零部件完全不同，因为每家供应商为零件选择了不同的方向。右边生产出专有特征，然而成功几率不同，具体要看其相对机床移动刀片的方向

  这是CAD模型自身不再能够传递足够多的定义零件信息的原因。CIMP-3D在近期的一次实验中，发送相同的CAD模型给三家不同的增材制造服务供应商，实地观察了此情况。宾夕法尼亚州立大学研究生Andrew Coward参与了汽轮机研究，设计了一种具有与涡轮机零部件有关特征的复杂测试零件，要求所有三家增材制造供应商在其DMLS机床上生产测试零件。这三家供应商彼此不了解，选择的零件方向都不同，得到了三种不同的结果。实际上，Coward提交了四种零件，因为三家供应商中的一家尝试以两种方式完成此工作。得到的四个零件的某些细节与CAD模型相符，然而也有一些细节不符，且每个零件符合和不符合的特征都各不相同。

  这项测试有点乱。设计的零件的内部和外部特征在很多方向上都不一样，没有一个DMLS结构完全符合要求。这项测试说明了什么?是在设计增材制造零件时必须考虑的问题，即便尺寸要求不一定有帮助。设计工程师必须优化比较重要的零件特征及可以自由发挥，略微偏离模型的特征。例如，穿过零件的每个模型孔可以被定义为圆形截面，因为设计师习惯打孔。Simpson博士指出，这是目前需要检验的一个基本设计假定，即孔是否真的需要是圆形的?DMLS机床上的再涂装刀片可能影响零件的专有特征，也有可能不影响，具体要看此特征相对刀片的方向，如图4所示。

  ●残余应力
  或者，增材制造零件不同于CAD模型可能不是因为其方向的影响，而是因为在生产期间积累在零件凝固剂中的残余应力。
  增材制造零件的冶金成型是复杂的。它不完全是金属液体层被添加到零件中，然后固化。反之，给定层可能受到直接添加到其上面的另外一层的热影响，然而，上面第二层及后续层的影响可能会小一些。之后，任何层的材料不断加热和冷却、固化，最终逐步与零件剩余部分集成。加热和冷却影响材料微观结构，在零件内部形成残余应力。模拟此行为，预测这些应力的潜在变形是CIMP-3D增材制造研究中更加重要的领域之一。

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  图5 残余应力足以包装一个3/4?in钢板，其中一个解决方案是在板的相对两侧设置一个镜像零件，从而平衡应力
  对在典型增材制造机床外壳中生产的小零件来说，此影响可能并不显著。然而，随着结构尺寸变大，此影响会变得显著。本机构从Sciaky采购的电子束增材制造机床可以生产长度达85?cm的零件。图5为本机构在该等大型零部件中发现的残余应力的极端实例。因为零件中积累的作用力，一个3/4?in(1?in=25.4?mm)的钢板在成型后两端弯曲3/4?in。其解决方案是在板的相对两侧设立相同零件的镜子影像，平衡此作用力。

  ●粉末
  金属粉末很昂贵，因此在使用粉床机时，用户需要一个回收和再利用生产后剩下的粉末的策略。然而，问题是循环结束时的粉末与开始时略微有些不同。少量颗粒更容易熔化，并聚集形成较大的颗粒，因此剩下的粉末更容易形成较大颗粒。根据应用的材料纯度要求，可以将剩下的粉末与未使用的混合到一起。但是，即便如此，为保证零件质量，粉末最多可以循环多少次呢?任何旨在持续生产的增材制造工艺中，此问题的答案是工艺规范的一部分。对于CIMP-3D和其他增材制造组织来说，粉末再循环的影响和最佳规范是另一个活跃的研究领域。

  ●材料
  最后一个工艺考虑因素可能是最重要的：制造零件使用的金属。重新设计采用增材制造后，原来选择加工零件使用的金属可能并不合适。增材设计自由也延伸到材料选择，因为一些很难加工的材料可以轻松用于增材制造中。

  逆命题也是正确的。例如，一些铝合金容易加工，然而却很难使用基于激光的增材工艺加工。同时，加工起来很难的钛合金是增材加工中最可靠且理解最深入的金属。实际上，拓扑优化结构的理想材料可能是钛，因为其独特的强度-重量性质。而且，如果优化后清除设计中足够多的材料，则新钛零件可能比之前的实心零件更轻，即便之前用的铝也是如此。

尽管我们很少考虑这个问题，在选择零件材质时往往会考虑加工问题。难以加工的材料往往很难受到青睐。例如，铬镍铁合金具有适用于一系列应用的性质，它的应用范围应该比现在更广。然而，就是因为加工困难，应用受到限制。但是，在近网状增材工艺中，在加工期间清除的材料少很多，铬镍铁合金可能会大展身手。

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