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增材制造的工业4.0:设计与工艺基本准则


20203月,奥地利技术公司Ecoplus PlasticsMechatronics Cluster公布了他们的一项研究结果,内容主要是在工业生产中应用增材制造。两年前,这两家公司启动了这项耗资210万欧元的研究项目,称为“增材制造的工业4.0 AM 4 Industry)。

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工业生产中增材制造的成本效益模型

“增材制造的工业4.0”项目研究目的是使企业能够在把增材制造引入生产领域时,做出更明智的决策。这些企业旨在创造一个有助于产生经济影响的概念,包括减少二氧化碳排放和提高企业生产效率。研究表明,增材制造技术能否成功应用于工业,主要取决于几大关键因素:

●质量特征的定义以及设计

3D打印工艺的发展

●可靠的生产过程监控

●适当的后处理指南

●适当的成本效益模型

该报告一共包括五个细分报告,本文是其中之一。

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一、简介

增材制造能够生产所有几何形状。设计人员往往会提出令人惊叹的几何形状,但通常对打印出来的组件质量感到失望,部件可能变形、表面质量较差、精度不够等。设计人员可以采取一些措施来解决这些问题,一些基本的方法将使他们能够更轻松地3D打印出来。如果生产更容易,最终质量将得到改善,有时甚至会在不牺牲性能的情况下降低成本。

本文旨在介绍各种3D打印机的工作原理。这将帮助读者理解为什么增材制造中存在一些设计规则及原因,以及它们为什么存在。这样,设计人员可以为所选的增材制造技术创建优化的形状。这意味着更好的打印质量和更低的后处理成本。

二、 增材制造的主要方面

1、不同的技术

在增材制造中,有几种不同的制造方法。美国材料试验学会目前提供七类:

光聚合(SLA——这种技术的原料是一种液体树脂,它是一种光敏聚合物。当来自灯或激光的紫外光照射到这种液体时,它就会局部凝固。

材料挤出(又名熔融沉积模型FDM)——这项技术的工作就像牙膏涂在牙刷上一样。原料是一种普通的聚合物(聚乳酸,ABSPPPS等),通常呈线状,通过加热的喷嘴进行机械施压,使聚合物稍微熔化。在出口处,熔珠被压在前一层上,打印头在工作区内移动,通过堆叠轨道生产出零件。

材料喷射——其目的是沉积感光液体材料(聚合物),就像普通打印机使用传统墨水一样。在机器内部有一个打印头,可以像素化图层,并选择哪种材料存放在哪种像素。由于它是一个多喷嘴打印头,其中一些可以沉积白色和强大的材料,而其他可以沉积黑色和韧性材料。在新技术中,最多可以同时使用六种材料,包括透明材料。

粘结剂喷射——粘合剂喷射包括在每一层和两个连续层之间将粉末颗粒粘合在一起。粘合剂以小液滴的形式从打印头上沉积下来,可以在整个工作表面上移动。

粉末床熔合(又分为:激光熔化金属粉末(LBM)、电子束熔化金属粉末(EBM)、激光熔化聚合物粉末(SLS))——此种方法是用能量束(激光或电子束)选择性地熔化粉末层。当能量点在粉末上移动时,形成一条焊接路径。这样,就可以覆盖所有组件区域。完成一层后,工作板向下移动一段与该层厚度相对应的距离,并用刮片涂抹新的粉末层。重复该过程,直到零件完全制造完毕。

定向能量沉积——这是一种和铣床完全相反的方法。铣床是把材料去掉,而定向能量沉积是增加材料。安装在机器人或CNC机器上的多轴喷嘴按指定路径焊接在一起,从而开始制造零件;也可以修复或覆盖现有的零件。原料可以是粉末或丝材,包括金属或陶瓷材料。

片层压——这是增材制造中不太常见的技术。其目的是切割具有所需形状的材料(聚合物、金属、纸张等),然后将其堆叠并连接在一起。

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增材制造系列(各种增材制造工艺)

由于它们的工作方式不同,每一种方法遵守一些特殊的规则。要选择好的增材制造技术,必须按照优先级顺序考虑不同的零件需求。各方面都达到标准是很难的,所以这是一个通过比较寻找最佳方案的过程

·         最佳表面光洁度:树脂打印是最好的,然后是选择激光基材料(金属或聚合物)。

·         制造大型的零件:避免快速和强烈冷却的热过程。

·         制造高精度的零件:激光技术(先是树脂,然后是粉末)。

·         简单的后处理:避免使用需要支撑的技术。特殊情况下,材料中的支撑不是零件本身的材料,可能更容易移除。

·         尺寸巨大的零件:可以考虑定向能量沉积或带渗透的粘结剂喷射。或者,考虑将零件拆分打印后,再组装。

·         对外观要求高(无特殊机械用途):材料喷射技术,由于可以有颜色,是良好的选择。

·         高效的零件:如果大量使用聚合物,成本会很低。因此应该考虑SLSFDM。光固化是第二选择(因为更脆)。对金属来说,一切都很好,但成本高。

·         内腔干净光滑:避免打印完成后,零件周围产生大量粉末的技术,在紧密的地方很难去除。支撑的设计调整也很关键。

2、残余材料

增材制造技术种类很多,所使用的材料可以是不同的形态:粉末、液体、板、丝、墨水等。

在较热环境下工作的一些增材制造技术(SLSEBM)会导致零件周围粉末的烧结;意味着粉末颗粒在表面熔化并粘在一起,制造的零件被包裹其中。粉末颗粒之间的结合力很强,要从狭窄的内腔中清除是相当困难的。

有时去除残余材料的目的是使零件尽可能变轻,但也可能是出于卫生和安全的原因,例如在医药或航空航天领域,零件在工作过程中不应释放任何残留物。这是一件非常重要的事情,从设计阶段就要注意。

传统工艺,材料是从一整块物体中去掉不需要的部分。为了更轻,可以选择制造成空心。但传统的设计在增材制造完成之后很难清理。因此在增材制造中,要尝试去除空腔,产生一些功能性的、易于清洁的结构,并尽可能简单。

在增材制造中,设计者可以将一些活动部件(如铰链、旋转轴或弹簧)集成到一个设计中,从而减少装配步骤,并在打印过程中直接组装这些部件。间隙尽量要小,让活动平稳准确。

总之,制造后需要去除的材料很多,有经验的技术人员可以在增材制造过程找到好的方法来清理,但这可能很昂贵而且不一定清理成功。一般都是由经验丰富的设计师来提出最佳方案,这样可以节省时间和成本,同时提高零件的整体质量。每一个解决方案都是实践经验积累出来的。

3、支撑结构

比较麻烦的是,在增材制造中往往需要支撑结构。它是一种轻型结构,在制造过程中支撑零件,与零件的制造是同时进行的,其作用是向下排出热量和避免热过程中的变形。当部件不均匀时,强力支撑可防止变形并改善制造条件;但弱支撑更容易移除。

在增材制造聚合物技术中,如材料挤出或材料喷射,由于使用多种材料的可能性,一些支撑载体可能会很快地在水中溶解。但当使用金属材料时,支撑和部件是由相同的材料制成的,并被牢固地焊接在一起,很难拆除,当夹具、锯、凿子和锤子不合适时,则需要一个加工中心来处理这种情况。因此,设计人员在生产零件时,不应该带有额外的支撑结构,如果他们能够减少制造零件所需的支撑,就可以大大降低成本。

综上所述,在支撑结构方面,最适合增材制造的是那些均匀且薄或在每个水平截面上分成薄岛的模型。生产垂直方向比较长的组件也更容易,因为它们可以在制造时进行自我支撑。

4、表面质量

表面质量与几个特征有关,它受到原材料形态(粉末颗粒可以粘附在表面,液体不能)、工艺偏差(例如局部过热)、所选部件对齐(影响支撑结构)以及所应用的层厚度的影响。

1)原材料的影响:以粉末为原料时,其表面粗糙度通常高于其它材料形态。这与处理零件边界的方式有关。在粉末床技术中,可以用粘合剂将颗粒粘在一起,也可以用热源熔化颗粒。由于原材料的不连续性,表面会不如预计中的清晰。

2)工艺偏差的影响:这是指在生产过程中相当稳定的一些过程。例如使用树脂(SLA,材料喷射)或粉末粘合剂(粘合剂喷射)的工艺。但对于热过程来说,这是不一样的。热量就像液体一样从热点(如熔池)流向冷点(如机架,通过底板)。温差越大,移动越快。而且热量在大块材料中的流动速度也比通过粉末的速度快,气体在粉末颗粒之间充当隔热层。

3)层厚影响:当然,层厚越大,表面就越粗糙。但这个形成的过程很快。因此,必须在最终质量和成本与时间方面做出妥协。

使用热源型3D打印机,从表面粗糙度来看,表面最高顶部和最深谷底部之间的距离大约为0.2 m m,这意味着如果进行表面镜面抛光,则必须在后处理(机加工、摩擦抛光、电化学抛光等)中去除约0.2 mm厚的表皮,因此,应在设计中考虑到这个额外厚度。

但不是所有的零件表面都需要这样的精加工。如对零件表面要求不高,可重新定义每个表面所要求的质量公差。过去,人们并没有意识到公差的重要性,从而引发了安全事故。如果公差可以放宽,则减少返工,零件将变得更便宜。

通常,整个组件的“竣工”质量是针对特定增材制造技术而批准的,只有少数需要密封或连接到另一部件的关键区域是需要机加工后处理。为了避免任何可能的工艺偏差,要确保每个部分具有相同的待加工区域,并且尽可能均匀,而这做起来比较困难。在不改变机器参数和设计的情况下,唯一方法是改变部件的对准方式,将零件的粗糙度转移到其他地方。

5、准确度

准确度也是增材制造中的一个重要话题。如前几节所述,在制造过程中会出现许多现象导致变形(由于冷却或聚合而收缩、内部应力导致分层、激光穿透床层等)或表面质量差(粗糙度高)。鉴于此,无论零件形状如何,用最精确的标准技术很难保证几何精度小于0.1%。通常,考虑0.2%的精确度,这意味着尺寸为100 mm的零件的长度为100±0.2 mm。但是,如果存在问题(例如,由于高残余应力导致的柱分层),则局部变形可以达到更高的值。

设计师可以在重要的区域增加额外厚度,然后对其进行加工,以达到最终公差,但这会增加成本。此外,对于有机/优化形状,将其固定在铣床(无平面)中或设置坐标的参考坐标系要困难得多。当然,为了有助于后处理步骤,设计师可以添加一些临时功能,使其更容易修复零件和加固材料,以避免加工“细长”结构时可能出现的振动,这在增材制造中是很典型的解决方法。

市场上出现了另一种工具:模拟热过程的增材制造软件。各种可用的商业解决方案使计算时间非常合理,可以通过计算来评估机械变形和热过程(基本上是机械 性能)。有了这个工具,设计者可以快速检查他的最终设计是否“过程安全”,如否,则可以进行潜在的纠正。比如钛合金零件生产失败就要花费3000欧元,因此这种方法可以节省很多时间和金钱。

此外,专业软件可以在预期任何失真的情况下提出一个补偿模型。这意味着在生产过程中发生的变形将使补偿模型弯曲,从而保持原始设计的外观。该工具可以帮助制造商和设计师达到预期的最终精度。该软件的成本目前在12000-15000欧元/年之间。

6、时间方面

增材制造的优势在于,在相对较短的时间(大约4天)内,从零开始生产出小体积(300X300x400毫米)零件,这在机械加工或注塑成型中是不可能的。所以如果需要短时间内,定制一个小零件,非常适合使用增材制造的方式。这种时间差异带来的收益已经成为一些公司的利润来源,使得增材制造部件的费用更容易被接受。

有时增材制造也用于产品开发阶段,用于快速确定注塑生产的最佳模具。通过从当前版本快速找到初始设计,可在早期阶段避免一些错误,也节省了时间。

设计步骤也可能是一个耗时的因素。由于增材制造只有在部件特殊或与传统设计相比特别高效时才具有经济效益,因此设计步骤是最重要的。设计尽可能高效的零件需要不同的软件和大量的知识积累。

三、对设计的影响

增材制造设计过程几乎总是相同的,不管采用什么技术。第一步始终是定义组件的功能和周围元素的集成程度,以适配装配工作。无论功能是驱动流体从一个点到另一个点的通道,螺钉或车轴的锚固点,一个铰链或几个点之间的强连接保持他们之间的距离恒定,第一步都是先获得这些特征的清晰三维图。根据最小机械阻力要求,可提出完成所有初始功能部件的一个初稿。下一步是优化“自支撑”(避免支撑结构)、“易于清洁”和后处理方面。大多数情况下,局部需要重新设计,以对所选择的支撑结构进行整合。

四、结论

增材制造不适合制造所有零件。首要目标是选择最有效益的零件,或重新设计自由度高的零件。然后需要研究考虑零件所有功能直至最基本的简化步骤。基于这些结果,根据本文档中描述的物理原因,选择机器中的组件对齐方式,使其长度大于宽度。一旦选择了组件对齐方式,就可以添加材料,以最有效的方式连接各个元素,这主要是由于拓扑优化。然后优化此初始设计,以减少水平截面的分割面积(以减少热输入和相应的残余应力),并检查表面方向(尽可能避免支撑)。根据所施加的载荷情况,进行有限元分析以检查部件的韧性。在不同的步骤之间,可以进行一些迭代,以实现可制造性和使用性的最佳组件效率。