金屬3D打印的當(dāng)前趨勢(shì)是越來(lái)越與傳統(tǒng)加工工藝有機(jī)的結(jié)合起來(lái),而不是取代傳統(tǒng)的制造工藝,如何將3D打印工藝與傳統(tǒng)制造工藝高效的結(jié)合,成為科研界關(guān)注的話題。美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所(NIST)與田納西理工大學(xué)(TTU)的Duck Bong Kim合作,發(fā)布了一項(xiàng)研究,闡述了如何解決生產(chǎn)中的金屬3D打印的三大挑戰(zhàn)。
這項(xiàng)研究中提出的模型最終可能通過(guò)認(rèn)證過(guò)程形成金屬3D打印零件和增材制造的標(biāo)準(zhǔn)。
增材制造被普遍的認(rèn)為是帶來(lái)下一代工業(yè)革命的主要驅(qū)動(dòng)因素,主要的原因是增材制造帶來(lái)小批量生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性和靈活性,個(gè)性化定制的可能性,以及復(fù)雜零件生產(chǎn)的可行性。不僅僅改變了我們對(duì)原來(lái)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的印象,還帶來(lái)了供應(yīng)鏈的改變,縮短了產(chǎn)品上市時(shí)間,并且對(duì)環(huán)境更友好。
然而,3D打印邁向產(chǎn)業(yè)化的過(guò)程中遇到了一系列的難題,其中包括:
- 通過(guò)信息管理系統(tǒng)來(lái)管理增材制造數(shù)據(jù)流
- 工藝可重復(fù)性、零件到零件的可重復(fù)性
- 成熟的認(rèn)證和質(zhì)量檢測(cè)方法
美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所(NIST)與田納西理工大學(xué)(TTU)提出了一個(gè)增材制造信息圖以方便梳理零件的生產(chǎn)能力,工藝的重復(fù)性,以及零件到零件的可重復(fù)性。增材制造數(shù)字線程包括設(shè)計(jì)信息、材料、工藝、加工以及測(cè)試信息。根據(jù)數(shù)字線程所記錄的信息,科學(xué)家們希望利用這些大數(shù)據(jù)來(lái)建立相關(guān)的數(shù)學(xué)模型,以或許有效的相關(guān)性分析,從而提高對(duì)零件質(zhì)量和加工穩(wěn)定性的控制。從A1到A6的數(shù)據(jù)線程包括如下:
A1:設(shè)計(jì):在這個(gè)過(guò)程中,根據(jù)設(shè)想和零件所需要實(shí)現(xiàn)的性能要求,從而獲得了幾何模型的建模結(jié)果,這個(gè)結(jié)果運(yùn)用了多種設(shè)計(jì)技巧,包括拓?fù)鋬?yōu)化,內(nèi)部晶格點(diǎn)陣結(jié)構(gòu),以及預(yù)留了組裝和加工余量等等。
A2:計(jì)劃過(guò)程-獨(dú)立于設(shè)備:這個(gè)過(guò)程決定了零件的構(gòu)建方向,支撐結(jié)構(gòu)等。這些計(jì)劃需要考慮所需要達(dá)到的零件表面質(zhì)量,材料性能,構(gòu)建實(shí)踐以及是否需要支撐結(jié)構(gòu)等。在這個(gè)過(guò)程中,同樣的運(yùn)用到了新的技術(shù),包括拓?fù)鋬?yōu)化的支撐結(jié)構(gòu)等。
A3:計(jì)劃過(guò)程-與設(shè)備相關(guān):這個(gè)過(guò)程考慮各種加工策略,包括切片、能量輸入、掃描速度、掃描路徑等等。由于很多要實(shí)現(xiàn)的結(jié)果之間是此消彼長(zhǎng)的,例如質(zhì)量(表面粗糙度)與加工速度通常是個(gè)矛盾體(考慮到加工時(shí)間和加工成本),這其中的加工策略對(duì)加工結(jié)果達(dá)到最優(yōu)化起到了關(guān)鍵的作用,并且與所使用的設(shè)備息息相關(guān)。
A4:零件構(gòu)建:在通過(guò)激光或其他能量源層層加工金屬粉末的過(guò)程中,可以通過(guò)熔池監(jiān)測(cè)手段來(lái)獲取加工中的狀態(tài)數(shù)據(jù),從而為實(shí)現(xiàn)微觀晶體層面上的控制,并檢測(cè)到缺陷的發(fā)生,從而與其他的數(shù)據(jù)建立相關(guān)性分析,以提高避免缺陷發(fā)生的能力。
A5:零件的后處理:這個(gè)過(guò)程是為了使得零件達(dá)到所需要的性能結(jié)果,包括去支撐,通過(guò)熱處理技術(shù)來(lái)提升零件的性能(去火、熱等靜壓-HIP,精加工-機(jī)加工以及表面紋理處理技術(shù)-噴丸與磨削)
A6:零件質(zhì)量:這個(gè)過(guò)程包括多種檢測(cè)手段,包括機(jī)械檢測(cè)與無(wú)損探傷(NDE)技術(shù),在這個(gè)過(guò)程中,所有的數(shù)據(jù)被記錄下來(lái)以與前面過(guò)程中所記錄下來(lái)的數(shù)據(jù)建立相關(guān)性研究,提高零件的可靠性和一致性。
基于A1到A6的數(shù)據(jù)線程,NIST提出了如何提取有效數(shù)據(jù)的4梯隊(duì)邏輯地圖。而基于這個(gè)邏輯地圖,針對(duì)A1到A6的每個(gè)階段,NIST將有分析價(jià)值的數(shù)據(jù)提煉成數(shù)據(jù)包進(jìn)行了詳細(xì)的細(xì)分。
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