Come ottenere un assemblaggio ad alta-precisione dopo la stampa 3D in metallo?

1. Ottimizzazione della progettazione: interrompi gli errori di assemblaggio prima che si verifichino.
Compensazione dinamica e distribuzione delle tolleranze
In base alle caratteristiche del processo di stampa (ad esempio precisione SLM ± 0,05 mm ed EBM ± 0,1 mm), lasciare spazio alle tolleranze di assemblaggio in fase di modello 3D. Ad esempio, la superficie in cui si incontrano le pale di una turbina e il disco del motore di un aereo deve essere mantenuta entro una tolleranza di ± 0,02 mm. La funzione "espansione orizzontale" può essere utilizzata per compensare il ritiro del materiale durante la stampa (ad esempio, il tasso di ritiro di una lega di titanio è di circa lo 0,8%). Il software di simulazione VoxelDance Engineering ha aiutato la Guangzhou Ruitong Additive Manufacturing Company a migliorare la compensazione della deformazione degli impianti dentali. Ciò ha ridotto la deformazione dell'anello di posizionamento da 0,3 mm a 0,1 mm, risolvendo il problema della precisione dell'assemblaggio.
Interfacce standardizzate e design modulare
Utilizzo di metodi di connessione convenzionali come connessioni di interfaccia USB e strutture a mortasa e tenone in stile Lego-per facilitare l'assemblaggio. Ad esempio, il modello da corsa OpenRC F1 ha interfacce standardizzate che consentono agli utenti di cambiare facilmente parti come pneumatici e alette caudali. Per le costruzioni complicate, possono essere suddivisi in parti più piccole e separate (come giunti, collegamenti e gusci di bracci robotici) che possono essere stampate e assemblate in modo indipendente. Ciò semplifica la correzione e l'aggiornamento in un secondo momento.
Supporta l'ottimizzazione e la giunzione della stampa-giù
Utilizzare la superficie che deve essere giuntata come base di stampa e sfruttare la planarità del primo strato per rendere la giunzione più accurata. Ad esempio, quando si stampano due modelli semi-circolari, il lato rivolto verso il basso può rendere le cuciture meno influenzate dalla stratificazione. Ridurre l'area di contatto con un supporto reticolare o conico facilita la successiva rimozione. Ad esempio, gli articoli realizzati in acciaio inossidabile 316L utilizzano una tecnica di scansione a scacchiera e una scansione offset del contorno per rendere la superficie meno ruvida, passando da Ra12 μm a Ra3,2 μm.
2. Controllo del processo: gestione accurata delle impostazioni di stampa
Ottimizzazione della densità energetica
È possibile regolare la forma del bagno di fusione modificando la potenza del laser, la velocità di scansione e lo spessore dello strato. Ciò può aiutare a prevenire problemi come la sferoidizzazione e la fusione incompleta. Ad esempio, la densità energetica della lega di titanio Ti6Al4V deve essere mantenuta tra 60 e 120 J/mm³. Se la potenza è troppo bassa o la velocità è troppo elevata, la forza di unione tra gli strati potrebbe non essere sufficientemente forte. Se la densità di energia è troppo elevata, può produrre fessurazioni da stress termico.
Mantenere l'aria pulita e la giusta temperatura
Per evitare l'ossidazione del metallo, a ogni passaggio viene aggiunto-argon o azoto di elevata purezza (con un livello di ossigeno inferiore allo 0,1%). Ad esempio, preriscaldare il substrato a 150–200 gradi prima di stampare la lega di alluminio AlSi10Mg aiuta a ridurre lo stress termico e a arrestare la deformazione. Inoltre, l'utilizzo della tecnologia di scansione collaborativa multi-raggio può distribuire uniformemente l'apporto di calore e ridurre lo stress residuo.
Monitoraggio online e feedback in un circuito chiuso
Termometri a infrarossi utilizzati, telecamere del pool di fusione e altri sensori per tenere d'occhio il campo della temperatura e la forma del pool di fusione in tempo reale durante la stampa. Ad esempio, un’azienda utilizza algoritmi di intelligenza artificiale per osservare i cambiamenti nella larghezza del bagno di fusione, variare automaticamente la potenza del laser e ridurre la porosità dallo 0,5% a meno dello 0,1%, il che aumenta notevolmente la densità del materiale.
3. Tecnologia di post-elaborazione: migliorare la superficie e mantenerne la forma.
Il trattamento termico elimina lo stress all'interno del materiale.
La ricottura, come il riscaldamento della lega di titanio in argon a 800 gradi per due ore, può eliminare la tensione residua che si accumula durante la stampa e arrestare la distorsione durante l'assemblaggio. La tempra e il rinvenimento possono essere utilizzati per rendere-parti ad alta resistenza più dure e tenaci. Un esempio sono le parti in lega ad alta temperatura-a base di nichel-che sono state trattate con pressatura isostatica a caldo (HIP). La loro densità è quasi del 100% e la loro resistenza alla fatica è aumentata di oltre il 30%.
Lavorazioni meccaniche di precisione e trattamenti superficiali eseguiti da macchine
Lavorazione CNC: per superfici funzionali come le superfici di accoppiamento dei cuscinetti, lasciare uno spazio di 0,1–0,3 mm. Utilizza una macchina utensile CNC con collegamento a cinque-assi per raggiungere requisiti precisi di planarità di 0,02 mm e rugosità Ra3,2.
La lucidatura elettrolitica è un processo che utilizza principi elettrochimici per eliminare piccole irregolarità sulla superficie delle parti in lega di alluminio. Ciò riduce la rugosità superficiale da Ra6 μm ​​a Ra0,2 μm e crea uno strato di passivazione che rende le parti più resistenti alla corrosione.
Utilizzando Al ₂ O3 o perle di vetro per colpire la superficie ad alta velocità, il trattamento di sabbiatura elimina la polvere rimanente e rende la superficie più consistente. Ad esempio, una particolare azienda ha utilizzato la sabbiatura per regolare la ruvidità superficiale degli impianti in lega di titanio stampati in 3D- a Ra1,6 μm, cosa che ha aiutato le cellule ossee ad attaccarsi ad essi.
Compensazione della deformazione guidata dalla simulazione
Puoi utilizzare software come VoxelDance Engineering per simulare l'intero processo di stampa, indovinare come cambieranno le cose e creare modelli per la compensazione. Un'azienda specifica, ad esempio, ha ridotto la deformazione delle parti dopo la regolazione della simulazione da 0,5 mm a 0,05 mm per gli ugelli del carburante dei motori aeronautici e ha reso il gioco di assemblaggio più uniforme dell'80%.
4. Piano per mettere insieme le cose: assicurarsi che tutto sia corretto su base regolare
Una piattaforma per assemblare cose che è molto rigida
Utilizzando una base ad alta-rigidità, un sistema di trasmissione e guida preciso e un design integrato per ridurre l'effetto della deformazione dell'attrezzatura sulla coassialità dell'assieme. Ad esempio, nella catena di montaggio dei motori dei robot umanoidi, viene adottata una progettazione di adattamento ambientale (come il mantenimento della temperatura costante) per ridurre il numero di errori del sistema.
Gruppo per posizionamento visivo e controllo della forza
Aggiungi un sistema di visione ad alta-precisione per trovare la posizione e la direzione di parti importanti come lo statore e il rotore e compensare eventuali errori commessi durante l'assemblaggio. Allo stesso tempo, all'estremità sono installati sensori integrati di controllo della forza per tenere d'occhio le variazioni di forza e coppia in tempo reale in più direzioni, rendendo possibile un "inserimento flessibile". Ad esempio, un'azienda utilizza la tecnologia di controllo della forza per evitare che il gruppo motore e la forza di pressione cambino di oltre ± 5 N, evitando così la rottura dei cuscinetti.
Feedback in un circuito chiuso e capacità di tracciare i dati
Raccolta di dati su pressione, spostamento, coppia e altri fattori in tempo reale durante il processo di assemblaggio e confronto con la finestra di processo predeterminata. Il sistema lancerà automaticamente un allarme o agirà se qualcosa va storto. Ad esempio, un'azienda effettua registrazioni separate del processo di assemblaggio per ciascun motore del robot umanoide, fornisce il controllo statistico del processo (SPC) e la tracciabilità della qualità e garantisce una coerenza dei lotti migliore del 99,9%.
5. Casi e tendenze del settore da guardare al futuro
Settore aerospaziale
GE Aviation utilizza la tecnologia SLM per stampare gli ugelli del carburante per i motori LEAP. Questo combina 20 pezzi in uno, rendendolo il 25% più leggero e durando 5 volte di più. Grazie al controllo combinato dell'ottimizzazione dei parametri di stampa e della lavorazione di precisione CNC, la precisione di assemblaggio è di ± 0,01 mm.
Campo degli impianti medici
Johnson&Johnson DePuy Synthes utilizza coppe acetabolari in lega di titanio stampate in 3D per mantenere la superficie liscia al di sotto di Ra0,8 μm utilizzando la lucidatura elettrolitica. Questo, insieme ad un design strutturale poroso, accelera lo sviluppo osseo del 40%.