流程制造业

混合添加剂制造在未来的工厂

平衡添加剂和减肥制造可能是新效率的关键

由Lynne Peskoe-Yang 2021年8月24日
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学习目标

  • 杂化添加剂制造将添加剂和减法方法与金属加工结合起来。
  • 常见的金属3D打印技术包括用高能光束分层沉积和烧结金属粉末。
  • 混合添加剂制造技术提高了生产效率,增加了表面工程的复杂性。

计算机数控(CNC),是工业时代对传统减法制造业的回应。当史前的雕刻家们在坚硬的石头上凿出他们想象中的人物时,现代的机械工们用CNC将大块金属雕刻成具有数学精度的统一零件。

附加制造,也称为3D打印,采用相反的方法,通过在连续的层中添加原材料,从内到外构建零件。与减法制造相比,该技术具有明显的经济优势,因为它最大限度地减少了浪费,并在不引入新的压力点的情况下创建了复杂的几何形状。

增材制造直到最近才被应用到机械师感兴趣的材料上,而且贴合效果还不理想。尽管具有灵活性,但3D打印还不能制造出足够光滑的金属表面。

“人们谈论金属3D打印时,就好像打印机打印出来的东西已经完成了一样,但事实很少如此,”Hybrid Manufacturing Technologies联合创始人兼首席执行官杰森·琼斯(Jason Jones)博士说。

Jones最初被雇佣到3D打印环境,期望他的减法经验将有助于解决3D金属打印的剩余缺陷。

“他们有一个数控机器并说,'你认为我们可以结合这些技术吗?”“琼斯说。“我似乎很清楚,这些技术是互补的 - 它们通常不会彼此反对。他们对不同的东西非常擅长。“

从聚合物到粉末

Univar Solutions润滑油专家Mandi McElwain解释说,虽然3D打印或“快速原型”从20世纪80年代初就已经存在,“重点主要是塑料”。早期的3D打印工艺是为光致聚合物开发的,光致聚合物在紫外线照射下会变硬。1989年发明的选择性激光烧结技术,通过在沉积的金属粉末上训练激光束,使其小心地熔合成连续的表面层,在金属基底上实现了类似的壮举。在最后一层固化之前,可以添加更多的金属粉末。

从那时起,金属3D打印工艺的选择继续扩大。利哈伊大学(Lehigh University)材料科学与工程系(Department of Materials Science and Engineering)系主任沃伊切赫·米西奥莱克(Wojciech Misiolek)博士表示,大多数技术仍基于粉末。

“用激光熔化粉末,或与粘合剂混合,然后去除粘合剂,烧结金属。有一些技术将粉末注入等离子火焰,然后沉积到衬底中。”Misiolek说。

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混合方法

然而,一旦这些层被沉积下来,金属部件就会受到与塑料3d打印部件相同的一些限制:表面还没有完成。对于混合制造的拥护者来说,这是数控加工真正闪耀的地方。McElwain说:“在一天结束的时候,大多数时候你不会得到你想要的表面光洁度,所以仍然需要数控加工。”“这就是混合动力制造如此独特的原因。”

琼斯说:“表面粗糙度和表面纹理对零件的寿命非常重要,但3D打印零件的平均粗糙度与砂纸差不多。”。“你如何使它们光滑?”

混合制造通过有意地混合加法和减法制造过程来回答这个问题,将3D打印的效率和速度与CNC加工的表面控制相结合。

由于其可变头用于加工,存放和检查,因此组合的设置可以在其移动到下一个步骤和机器时检查其自身的工作,以防止预定规格。

琼斯说:“它确实关闭了许多个人必须跟踪、维护和关联的开放循环。”。“您几乎可以将其视为未来的工厂,但只需一个解决方案,一个设置。”

混合优势

将加法和减法生产相结合,最适合定制生产计划,该计划可以反映每种方法的优缺点。对于CNC加工的所有精度和灵活性,有一些任务本质上更容易从加法方法。光滑的金属表面可能是3D打印无法达到的,但内部的复杂性是完美的挑战:添加方法可以构建复杂的几何结构,即使在金属中。

图1a。将加法和减法生产相结合,最适合定制生产计划,该计划可以反映每种方法的优缺点。礼貌的镜子。

图1a。将加法和减法生产相结合,最适合定制生产计划,该计划可以反映每种方法的优缺点。礼貌的镜子。

McElwain说:“铸造、绘图或冲压并不能像3D打印材料那样提供复杂的结构。”。“如今,你真的无法将气孔或孔道这样的设计整合在一起。你必须将它们焊接起来,这会在高温环境中产生一个应力点。”

图1 b。将加法和减法生产相结合,最适合定制生产计划,该计划可以反映每种方法的优缺点。礼貌的镜子。

图1 b。将加法和减法生产相结合,最适合定制生产计划,该计划可以反映每种方法的优缺点。礼貌的镜子。

通过生产这些精致的设计,3D金属打印最大限度地降低了热应力点的风险。这对于像工具制造这样的应用尤其有用,因为原材料经常被归类为“难焊接”。

质量保证原位

质量保证是混合动力制造机构从他们的双重方法中获得额外里程的另一个领域。琼斯说:“在减法制造中,最终的质量保证步骤通常发生在生产线的末端,有缺陷的部件必须重新加工或丢弃。”

然而,在添加剂制造中,质量保证正在成为一个正在进行的过程:3D打印机使用特殊检查头来测试每个元素的完整性。

“通过混合解决方案,您可以以原位评估质量,”琼斯说。“如果您发现缺陷或异常,您可以将其铣削并加入新的表面涂层。”

现场检查可以提高下游效率,因为资源不会浪费在具有不可修复缺陷的零件上,也不会浪费在重新设计阶段的宝贵数据上。

琼斯说:“也许你需要调整一个参数,也许你需要一种不同的材料。”。“您可以在一次设置中完成这一切,并立即[向]实际制造零件的人员获得反馈。”

机械加工也为混合装置提供了优势。除了制造光滑金属表面的优越能力外,加工是制造某些类型零件几何形状的更有效的选择,比如那些为加工而设计的零件。添加式打印机的速度往往要慢得多,但这种延迟可以通过混合设置来抵消,这种设置规避了更昂贵和时间密集的步骤,如供应商、商店、检查服务和客户之间的运输。

商店是如何适应混合设置的

混合设置可能会带来变革,但这种转变不一定是痛苦的。“在几个小时内,任何机械师都能学会如何沉积金属、碳纤维或聚合物,”琼斯说。

它有助于几何代码,或G代码,通过三维坐标将目标区域传达给机器,在加法和减法方法之间保持一致。

Jones说:“在现有的CNC上添加添加功能意味着他们使用的是同一台机器,相同的g代码,只是进行了一些定制编辑,以适应添加技术。”

操作CNC机器是3D打印的许多方面的完美培训,需要几个添加了几个。那些专门在全减法环境中工作的人将不得不习惯于回答他们现在通过添加剂建造的材料的内外和外部质量。

“如果你不习惯添加任何东西,通常你会购买来自钢铁厂的钢坯。你假设它是固体金属,由于常规的高质量标准,你不必担心内部是否有缺陷,如不连续、孔隙或其他缺陷,”琼斯说。“然而,当你加入金属时,你现在也负责外部和内部的属性。”

采用经常从商店开始印刷自己的固定装置,图案和其他类型的制造或来自聚合物或复合材料的艾滋病。第一进入金属印刷通常将少量金属添加到现有部分(例如涂层或添加特征)。这一举动允许人们进入生产的节奏,而无需立即进行显着的设计变化。

最终,当它与新设计配对时,最有效地使用添加剂制造。琼斯表示这是混合动力车制造的最佳应用。明智的是不要低估这一步骤,因为当用户开始从头开始设计和建立新的复杂结构,管理热梯度并导致残余应力可以棘手而无需稳健的仿真工具。此外,加工步骤可以减轻一些应力,这可能导致失真,如果没有正确管理。

用于混合添加剂制造的设计

纯减法制造非常适合于工业生产,在工业生产中,可以根据通用设计批量购买金属基板并进行均匀加工。但金属零件市场正在发生重大变化。最终用户越来越喜欢小批量定制零件,这会造成浪费,并降低现有制造方法(如机加工)的利润率。1

混合制造的许多应用都是在表面工程方面。琼斯解释说,通常边缘被加强或表面覆层,以增加耐磨性和热性能,或避免腐蚀和氧化。这允许使用低成本的基片,并且只需要在最需要的地方使用高性能的材料。这为包括轴承,凸轮轴,轴承座,齿轮,磨损表面,模具,模具和高温部件在内的许多应用领域打开了新的机遇。最受欢迎的添加材料通常是难以加工的合金,包括工具钢、镍和钴基材料以及金属基复合材料。

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Misiolek进一步探讨了这个话题,他说剩下的最有趣的问题是关于各种材料对3D打印过程的反应。Misiolek说:“我们正在进行大量的测试,磨损测试,研究这些材料在高温下的使用寿命。”。有些金属很难以粉末形式呈现,它们将成为零件生产的有力竞争者。即使是看起来非常适合打印设置的材料,也可能与成品零件的其他层一起遇到技术问题。米西奥莱克说:“问题是,‘我们能在物理学上做得对吗?我们能不能让热膨胀系数足够接近,这样它们就能一起工作?’。

本文首先出现在摩擦学和润滑技术(TLT)中,每月杂志摩擦学家和润滑工程师协会(Stle)是一个在伊利诺伊州公园里奇公园的国际非营利性专业社会。Stle是CFE媒体内容合作伙伴。

参考

1.Merklein, M., Junker, D., Schaub, A.和Neubauer, F.(2016),“混合增材制造技术——关于潜力和应用的分析”,《物理进程》,83,549-559页,点击在这里


Lynne Peskoe-yang
作者简介:Lynne Peskoe Yang是纽约塔里镇的自由撰稿人。你可以通过lynnepeskoeyang@gmail.com.