3D打印和CNC:最佳混合3D打印機(jī)指南
魔猴君 知識(shí)堂 337天前
3D打印和機(jī)械加工通常被視為競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手,但它們也可以成為有效的合作伙伴。事實(shí)上,3D打印零件通常會(huì)經(jīng)過機(jī)械加工,以產(chǎn)生更高的公差和更好的表面光潔度。與此同時(shí),曾經(jīng)由實(shí)心金屬塊銑削而成的零件通??梢愿斓?D打印,并且形狀更復(fù)雜。
越來越多的混合制造機(jī)器將3D打印和CNC機(jī)械整合到一個(gè)整體中,以更好地實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化并加速零件生產(chǎn)。
機(jī)器制造商表示,混合技術(shù)克服了兩種母技術(shù)的缺點(diǎn),使制造商能夠更快、更低成本地生產(chǎn)更精確、更高質(zhì)量的部件。它比單獨(dú)的機(jī)械加工浪費(fèi)更少,比單獨(dú)的3D打印更高效、更精確,無需體力勞動(dòng)即可在兩個(gè)不同的設(shè)備之間移動(dòng)零件,無需編程。
直接能量沉積和數(shù)控銑削的結(jié)合(來源:DMG MORI)
1、什么是混合CNC-3D打印機(jī)?
工業(yè)機(jī)器制造商Romi與Hybrid Manufacturing Technologies合作
將于2021年提供一系列混合機(jī)器(來源:Romi)
混合制造是一種相對(duì)較新的方法,將增材制造和減材制造技術(shù)結(jié)合在一臺(tái)機(jī)器上。這些機(jī)器使用3D打印來生產(chǎn)金屬或塑料零件的基本近凈形狀。然后,另一個(gè)單元或工具頭將零件銑削至所需的公差。因此,制造商(及其客戶)擁有增材制造的復(fù)雜幾何形狀和銑削部件的詳細(xì)表面質(zhì)量。
除了從頭開始構(gòu)建零件之外,這些機(jī)器還非常適合向現(xiàn)有零件添加功能、進(jìn)行零件維修以及在加工后處理之前對(duì)零件進(jìn)行涂層。
混合制造機(jī)器操作因制造商而異,但通常分為兩類:
順序混合制造機(jī)器首先完成完整的增材制造序列,生產(chǎn)3D打印的近凈形狀零件,然后再進(jìn)行減材工藝。
另一方面,交替混合制造機(jī)器在整個(gè)制造過程中在增材制造和銑削單元之間進(jìn)行交換。一些交替機(jī)器甚至可以加工部件的一部分,而增材制造單元?jiǎng)t打印另一部分。
這個(gè)3D打印的pison原型首先進(jìn)行3D打印,然后進(jìn)行CNC加工,以獲得光滑的表面光潔度(來源:Meltio)
從技術(shù)上講,幾乎所有3D打印技術(shù)都可以與CNC機(jī)床結(jié)合使用,并且有一些升級(jí)套件可以轉(zhuǎn)換您現(xiàn)有的加工單元。然而,該技術(shù)仍在發(fā)展中,當(dāng)前的選擇僅限于幾種組合。這些包括:
DED/CNC:定向能量沉積(DED)是一種金屬增材制造技術(shù),其中材料(線材或粉末)通過狹窄的噴嘴輸送,并通過電弧、激光或電子束熔化成型。DED的優(yōu)點(diǎn)是能夠從任何角度輸送材料,從而實(shí)現(xiàn)5軸沉積。這也用于金屬零件修復(fù)。
LPBF/CNC:在激光粉末床熔合(LPBF)中,機(jī)器鋪設(shè)一層薄薄的金屬粉末,用激光熔化該層的形狀,然后重復(fù)該過程直至零件完成。理論上,LPBF可以生產(chǎn)沒有支撐結(jié)構(gòu)的零件,因?yàn)橹車慈刍姆勰┨峁┝吮匾闹巍?/span>
FDM/CNC:與前兩種方法不同,熔融沉積成型(FDM)打印機(jī)將金屬或熱塑性細(xì)絲或顆粒分層熔化并擠出,以創(chuàng)建所需的幾何形狀。這項(xiàng)技術(shù)可以便宜得多,同時(shí)仍然具有良好的強(qiáng)度特性(特別是增強(qiáng)聚合物長(zhǎng)絲),但零件在打印過程中可能需要支撐結(jié)構(gòu)。
用于CAD和CAM編程的西門子NX實(shí)現(xiàn)了增材制造的新思維方式(來源:DMG Mori)
2、CNC-3D打印混合制造機(jī)器的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)
由于鑄造模具的制作,制造復(fù)雜葉輪需要長(zhǎng)達(dá)25周的時(shí)間。DMG Mori的Lasertec 65 DED上的混合制造將這一時(shí)間縮短到不到一周(來源:DMG Mori)
與純?cè)霾闹圃旎驕p材方法相比,混合制造具有許多優(yōu)勢(shì)。其最顯著的優(yōu)勢(shì)之一是能夠提高生產(chǎn)率。由于增材制造和加工工藝都可以在一臺(tái)機(jī)器上運(yùn)行,因此無需更換零件和重新校準(zhǔn)設(shè)備。該加工單元還可以部分或完全取代手動(dòng)增材制造后處理,這也加快了生產(chǎn)速度。
與大多數(shù)單獨(dú)的3D打印機(jī)相比,混合制造可以實(shí)現(xiàn)更高的精度和更嚴(yán)格的公差。增材制造可創(chuàng)建比機(jī)械加工更復(fù)雜的幾何形狀和零件結(jié)構(gòu),例如零件合并、內(nèi)部通道和網(wǎng)格填充壁。在一臺(tái)機(jī)器上生產(chǎn)整個(gè)零件還可以減少出現(xiàn)加工缺陷或錯(cuò)誤的機(jī)會(huì)。因此,混合零件可以表現(xiàn)更好并具有更高的質(zhì)量。
混合機(jī)器使您能夠在單個(gè)零件中使用多種材料,從而顯著提高機(jī)械性能并節(jié)省成本。您可以用更強(qiáng)的金屬覆蓋較弱的零件,添加高性能材料以改善零件的運(yùn)動(dòng)或傳熱,或者僅在需要的地方使用昂貴的材料來節(jié)省材料成本。
通過在增材制造和一次裝夾中銑削之間靈活切換,可以以成品質(zhì)量生產(chǎn)部件,并具有內(nèi)部冷卻通道等功能(來源:DMG Mori)
最近的一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn),混合制造消除了減材技術(shù)固有的大部分浪費(fèi),從而減少了高達(dá)97%的材料消耗。將零件3D打印成近凈形狀意味著工廠車間最終形成刨花的材料會(huì)減少。使用DED/CNC機(jī)器,還可以僅將材料添加到選定的位置。這使得用戶可以通過在零件(例如船舶和石油和天然氣行業(yè)使用的組件)中添加金屬來修復(fù)損壞的組件并加快生產(chǎn)速度。相反,數(shù)控裝置可以在材料沉積運(yùn)行之間加工精細(xì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。
最后但并非最不重要的一點(diǎn)是,混合動(dòng)力可以削減前期投資和運(yùn)營(yíng)成本。與其同時(shí)購(gòu)買CNC機(jī)床和工業(yè)3D打印機(jī),不如購(gòu)買混合機(jī)床可能更便宜。與單獨(dú)的增材制造和數(shù)控設(shè)備相比,單個(gè)混合機(jī)器消耗的能源更少,所需的占地面積也更少。
盡管混合動(dòng)力具有巨大的優(yōu)勢(shì),但它并不是滿足所有制造需求的完美解決方案。盡管這些機(jī)器可以降低初始投資,但它們并不便宜,而且可能超出了小公司的預(yù)算。操作混合機(jī)器可能很復(fù)雜,需要操作員對(duì)3D打印和CNC加工有深入的了解,以確定制造給定零件的最佳方法。
3、CNC-3D打印混合制造機(jī)器的應(yīng)用
這個(gè)用于航空航天工業(yè)的執(zhí)行器組件是一個(gè)測(cè)試用例,展示了混合機(jī)器如何向現(xiàn)有金屬管添加復(fù)雜的功能(來源:AMRC)
混合制造適用于許多行業(yè)。任何依賴金屬或熱塑性塑料精確制造零件的應(yīng)用都可以從混合制造技術(shù)中受益。然而,一些特別適合的行業(yè)是:
航空航天:航空航天工業(yè)需要耐熱、堅(jiān)固、輕質(zhì)且公差嚴(yán)格的零件?;旌现圃炜梢杂迷鰪?qiáng)熱塑性塑料和鋁等金屬制造這些部件。
汽車:汽車發(fā)動(dòng)機(jī)和底盤包含大量復(fù)雜零件?;旌现圃焓蛊囍圃焐棠軌蛟谝慌_(tái)機(jī)器上生產(chǎn)這些部件,從而降低材料和勞動(dòng)力成本。
通用工程:最大正常運(yùn)行時(shí)間對(duì)于任何制造業(yè)都至關(guān)重要。通過混合制造解決方案,可以修復(fù)損壞的機(jī)械部件,從而降低成本并減少庫(kù)存需求。
醫(yī)療:混合制造可以幫助醫(yī)療專業(yè)人員制造完美貼合的定制植入物、假肢和手術(shù)工具。AM組件允許零件定制,而CNC加工則確保理想的零件質(zhì)量。
讓我們看一下混合制造如何幫助制造商的一些詳細(xì)說明。
航天
謝菲爾德大學(xué)先進(jìn)制造研究中心(AMRC)的工程師致力于研究和開發(fā)推進(jìn)制造技術(shù)的新方法。作為這一目標(biāo)的一部分,他們?cè)O(shè)計(jì)了一種新穎的方法來制造航空航天工業(yè)的關(guān)鍵執(zhí)行器組件(如上圖所示)。
這些執(zhí)行器傳統(tǒng)上是通過將實(shí)心金屬棒加工成型來制造的。使用DED/CNC機(jī)器,AMRC可以將原料部分改為管材。通過對(duì)增材制造和加工工藝進(jìn)行優(yōu)化排序,研究人員可以將3D打印金屬添加到原料管中。這種方法提高了加工操作的穩(wěn)定性并顯著減少了材料消耗。
“混合制造的使用使得特征加工策略更加簡(jiǎn)單?;旌显囼?yàn)表明,可以實(shí)現(xiàn)相似的周期時(shí)間,同時(shí)將成本降低23%,并將購(gòu)買與運(yùn)行比率從31:1大幅降低至2.5:1。”新興加工技術(shù)技術(shù)研究員Nikolaos Tapoglou解釋道在AMRC。
工程
蘇爾壽是一家瑞士制造商,為石油天然氣和能源行業(yè)生產(chǎn)關(guān)鍵運(yùn)營(yíng)部件,包括泵。葉輪是泵的重要部件,但由于流經(jīng)它們的腐蝕性液體,葉輪會(huì)遭受嚴(yán)重磨損,需要定期更換。蘇爾壽傳統(tǒng)上使用傳統(tǒng)機(jī)械加工制造葉輪,但其復(fù)雜的幾何形狀導(dǎo)致交貨時(shí)間極長(zhǎng)。
通過實(shí)施使用西門子NX混合CAD/CAM軟件操作的DMG Mori Lasertec 65 DED/CNC機(jī)床,蘇爾壽現(xiàn)在可以通過交替增材制造和加工方法來構(gòu)建葉輪復(fù)雜的通道結(jié)構(gòu)。該公司已將交貨時(shí)間縮短了25倍,現(xiàn)在可以銑削以前無法到達(dá)的區(qū)域,生產(chǎn)出具有高表面質(zhì)量的零件,從而提高了效率。此外,混合動(dòng)力機(jī)器使該公司能夠制造比以前更大的部件。
“我們能夠?qū)⒄麄€(gè)交付周期從25周縮短到不到1周,”蘇爾壽制造技術(shù)主管Robin Rettberg說道。“我們希望繼續(xù)提高這一領(lǐng)域的產(chǎn)能,因?yàn)樵摷夹g(shù)使我們能夠更靈活地響應(yīng)客戶的要求?!?/span>
這些具有合格冷卻通道的模具鑲件經(jīng)過打印,然后用H13工具鋼進(jìn)行機(jī)械加工,耗時(shí)大約86小時(shí),但操作員只需要不到一個(gè)小時(shí)的時(shí)間(來源:Mantle)
醫(yī)療
一家全球醫(yī)療設(shè)備制造商使用工具鋼模具生產(chǎn)高溫塑料原型零件。由于新模具的交付時(shí)間較長(zhǎng),該公司很難及時(shí)向市場(chǎng)推出新產(chǎn)品。它曾嘗試過3D打印塑料模具嵌件,但其絕緣性能和表面光潔度限制導(dǎo)致材料限制以及原型和最終零件之間的不準(zhǔn)確性。為了解決這個(gè)問題,該公司轉(zhuǎn)向Mantle P-200 HM機(jī)器。
利用P-200,該公司使用P2X工具鋼材料3D打印模具嵌件,并將其加工成最終形狀。這種方法使模具嵌件具有極其嚴(yán)格的(0.001”)公差和光滑的啞光表面,在成型前不需要表面精加工。模具在高達(dá)600°C的成型溫度下表現(xiàn)完美。
混合工藝將新模具的交貨時(shí)間從7周縮短到8天,縮短了80%以上。此外,該醫(yī)療公司的制造成本下降了50%以上。
編譯整理:ALL3DP