Wie erreicht man nach dem 3D-Metalldruck eine hochpräzise Montage?

1. Designoptimierung: Montagefehler stoppen, bevor sie passieren.
Dynamische Kompensation und Toleranzverteilung
Lassen Sie basierend auf den Eigenschaften des Druckprozesses (z. B. SLM-Genauigkeit ± 0,05 mm und EBM ± 0,1 mm) Spielraum für Montagetoleranzen im 3D-Modellstadium. Beispielsweise muss die Oberfläche, an der die Turbinenschaufeln und die Scheibe eines Flugzeugtriebwerks aufeinandertreffen, innerhalb einer Toleranz von ± 0,02 mm gehalten werden. Mit der Funktion „Horizontale Ausdehnung“ kann die Schrumpfung des Materials beim Drucken ausgeglichen werden (bei einer Titanlegierung beträgt die Schrumpfungsrate beispielsweise etwa 0,8 %). Die Simulationssoftware VoxelDance Engineering half der Guangzhou Ruitong Additive Manufacturing Company, die Verformungskompensation von Zahnimplantaten zu verbessern. Dadurch verringerte sich die Verformung des Positionierungsrings von 0,3 mm auf 0,1 mm, wodurch das Problem der Montagegenauigkeit behoben wurde.
Standardisierte Schnittstellen und modularer Aufbau
Verwendung herkömmlicher Verbindungsmethoden wie USB-Schnittstellenverbindungen und Einsteck- und Zapfenkonstruktionen im Lego--Stil, um die Montage zu erleichtern. Beispielsweise verfügt das Rennmodell OpenRC F1 über standardisierte Schnittstellen, die es Benutzern ermöglichen, Teile wie Reifen und Heckflossen einfach zu wechseln. Für komplizierte Konstruktionen können sie in kleinere, separate Teile zerlegt werden (z. B. Gelenke, Verbindungen und Schalen von Roboterarmen), die gedruckt und unabhängig voneinander zusammengesetzt werden können. Dies erleichtert spätere Reparaturen und Upgrades.
Unterstützen Sie die Optimierung und das Spleißen mit der Vorderseite-nach unten
Verwenden Sie die Oberfläche, die gespleißt werden muss, als Druckgrundlage und nutzen Sie die Ebenheit der ersten Schicht, um das Spleißen genauer zu machen. Wenn Sie beispielsweise zwei halbkreisförmige Modelle drucken, kann die Vorderseite nach unten zeigen, dass die Naht weniger durch die Schichtung beeinträchtigt wird. Durch die Reduzierung der Kontaktfläche mit Gitter- oder Konusträgern lässt sich dieser später leichter entfernen. Beispielsweise verwenden Artikel aus 316L-Edelstahl eine Schachbrett-Scantechnik und ein Kontur-Offset-Scanning, um die Oberfläche weniger rau zu machen, und zwar von Ra12 μm bis Ra3,2 μm.
2. Prozesskontrolle: genaue Verwaltung der Druckeinstellungen
Optimierung der Energiedichte
Sie können die Form des Schmelzbades regulieren, indem Sie die Laserleistung, die Scangeschwindigkeit und die Schichtdicke ändern. Dies kann dazu beitragen, Probleme wie Sphäroidisierung und unvollständige Fusion zu verhindern. Beispielsweise muss die Energiedichte der Titanlegierung Ti6Al4V zwischen 60 und 120 J/mm³ gehalten werden. Wenn die Leistung zu niedrig oder die Geschwindigkeit zu hoch ist, ist die Bindungskraft zwischen den Schichten möglicherweise nicht stark genug. Wenn die Energiedichte zu hoch ist, kann es zu thermischen Spannungsrissen kommen.
Für saubere Luft und die richtige Temperatur sorgen
Um zu verhindern, dass das Metall oxidiert, wird bei jedem Schritt hochreines Argon- oder Stickstoffgas (mit einem Sauerstoffgehalt von weniger als 0,1 %) hinzugefügt. Wenn Sie beispielsweise das Substrat vor dem Drucken der AlSi10Mg-Aluminiumlegierung auf 150–200 Grad vorwärmen, können Sie die thermische Belastung verringern und Verformungen verhindern. Außerdem kann die Verwendung der kollaborativen Mehrstrahl-Scantechnologie den Wärmeeintrag gleichmäßig verteilen und die Restspannung verringern.
Online überwachen und Feedback im geschlossenen Kreislauf geben
Verwendete Infrarot-Thermometer, Schmelzbadkameras und andere Sensoren, um das Temperaturfeld und die Form des Schmelzbades während des Druckens in Echtzeit im Auge zu behalten. Beispielsweise nutzt ein Unternehmen KI-Algorithmen, um Veränderungen in der Breite des Schmelzbads zu untersuchen, die Laserleistung automatisch zu variieren und die Porosität von 0,5 % auf weniger als 0,1 % zu senken, was die Dichte des Materials deutlich erhöht.
3. Post-Technologie: Verbesserung der Oberfläche und Beibehaltung ihrer Form.
Durch die Wärmebehandlung werden Spannungen im Material beseitigt.
Durch Glühen, wie etwa zweistündiges Erhitzen einer Titanlegierung in Argon auf 800 Grad, können Restspannungen, die sich beim Drucken aufbauen, beseitigt und Verformungen beim Zusammenbau verhindert werden. Durch Abschrecken und Anlassen können hochfeste Teile härter und zäher gemacht werden. Ein Beispiel sind Teile aus Hochtemperaturlegierungen auf Nickel--Basis, die mit heißisostatischem Pressen (HIP) behandelt wurden. Ihre Dichte beträgt nahezu 100 % und ihre Dauerfestigkeit ist um mehr als 30 % gestiegen.
Präzisionsbearbeitung und Oberflächenbehandlung durch Maschinen
CNC-Bearbeitung: Lassen Sie für Funktionsflächen wie Lagerpassflächen einen Abstand von 0,1–0,3 mm. Verwenden Sie eine CNC-Werkzeugmaschine mit Fünf-Achsen-Verbindung, um die präzisen Anforderungen einer Ebenheit von 0,02 mm und einer Rauheit von Ra3,2 zu erreichen.
Beim elektrolytischen Polieren handelt es sich um einen Prozess, der elektrochemische Prinzipien nutzt, um kleine Unebenheiten auf der Oberfläche von Teilen aus Aluminiumlegierung zu entfernen. Dadurch wird die Oberflächenrauheit von Ra6 μm ​​auf Ra0,2 μm gesenkt und eine Passivierungsschicht erzeugt, die die Teile korrosionsbeständiger macht.
Durch den Einsatz von Al₂O3 oder Glasperlen, die mit hoher Geschwindigkeit auf die Oberfläche treffen, werden durch die Sandstrahlbehandlung Pulverreste entfernt und die Oberfläche sieht gleichmäßiger aus. Beispielsweise nutzte ein bestimmtes Unternehmen Sandstrahlen, um die Oberflächenrauheit von 3D-gedruckten Implantaten aus Titanlegierung auf Ra1,6 μm einzustellen, was dazu beitrug, dass Knochenzellen daran haften blieben.
Simulationsgesteuerte Verformungskompensation
Sie können Software wie VoxelDance Engineering verwenden, um den gesamten Druckprozess zu simulieren, abzuschätzen, wie sich die Dinge ändern werden, und Modelle zur Kompensation zu erstellen. Ein bestimmtes Unternehmen hat beispielsweise die Verformung von Teilen nach der Simulationsanpassung für Kraftstoffdüsen von Flugzeugtriebwerken von 0,5 mm auf 0,05 mm reduziert und das Montagespiel um 80 % gleichmäßiger gemacht.
4. Planen Sie die Zusammenstellung: Stellen Sie regelmäßig sicher, dass alles korrekt ist
Eine Plattform zum Zusammenbauen von Dingen, die sehr steif ist
Verwendung einer Basis mit hoher Steifigkeit, eines präzisen Übertragungs- und Führungssystems und eines integrierten Designs, um die Auswirkungen von Geräteverformungen auf die Koaxialität der Baugruppe zu verringern. Beispielsweise wird in der Montagelinie für humanoide Robotermotoren ein Design zur Umgebungsanpassung (z. B. Aufrechterhaltung einer konstanten Temperatur) eingesetzt, um die Anzahl von Systemfehlern zu reduzieren.
Baugruppe zur visuellen Positionierung und Kraftkontrolle
Fügen Sie ein hochpräzises Bildverarbeitungssystem hinzu, um die Position und Richtung wichtiger Teile wie Stator und Rotor zu ermitteln und eventuelle Fehler bei der Montage auszugleichen. Gleichzeitig sind am Ende integrierte Kraftkontrollsensoren angebracht, die Kraft- und Drehmomentänderungen in mehreren Richtungen in Echtzeit im Auge behalten und so ein „flexibles Einsetzen“ ermöglichen. Beispielsweise setzt ein Unternehmen Kraftkontrolltechnologie ein, um zu verhindern, dass sich die Motorbaugruppe und die Presskraft um mehr als ± 5 N ändern, wodurch verhindert wird, dass die Lager brechen.
Feedback im geschlossenen Regelkreis und die Möglichkeit, Daten nachzuverfolgen
Sammeln von Daten zu Druck, Weg, Drehmoment und anderen Faktoren in Echtzeit während des Montageprozesses und deren Vergleich mit dem vorgegebenen Prozessfenster. Das System löst automatisch einen Alarm aus oder ergreift Maßnahmen, wenn etwas schief geht. Beispielsweise erstellt ein Unternehmen separate Montageprozessaufzeichnungen für jeden humanoiden Robotermotor, bietet statistische Prozesskontrolle (SPC) und Qualitätsrückverfolgbarkeit und sorgt für eine Chargenkonsistenz von mehr als 99,9 %.
5. Branchenbeispiele und Trends, auf die Sie sich freuen können
Bereich Luft- und Raumfahrt
GE Aviation nutzt die SLM-Technologie, um Treibstoffdüsen für LEAP-Triebwerke zu drucken. Dadurch werden 20 Teile zu einem kombiniert, wodurch es 25 % leichter ist und fünfmal länger hält. Dank der kombinierten Steuerung der Druckparameteroptimierung und der CNC-Präzisionsbearbeitung beträgt die Montagegenauigkeit ± 0,01 mm.
Bereich medizinische Implantate
Johnson&Johnson DePuy Synthes verwendet 3D-gedruckte Hüftpfannen aus Titanlegierung, um die Oberfläche durch elektrolytisches Polieren glatt unter Ra0,8 μm zu halten. Zusammen mit einem porösen Strukturdesign beschleunigt dies die Knochenentwicklung um 40 %.