Wie lassen sich Metall-3D-Druck und CNC-Bearbeitung am sinnvollsten kombinieren?

一, Technologische Komplementarität: ein logischer Wandel von „Opposition“ zu „Symbiose“
Beim Metall-3D-Druck (am Beispiel der SLM/DMLS-Technologie) wird Metallpulver Schicht für Schicht mithilfe eines Lasers geschmolzen, sodass komplizierte Innenstrukturen auf einmal aufgebaut werden können. Seine Hauptvorteile sind:
Durchbruch bei strukturellen Freiheitsgraden: Möglichkeit zur Herstellung von Gitterstrukturen, konformen Kühlkanälen, unebenen Oberflächen und anderen Dingen, die typische CNC-Maschinen nicht können. Beispielsweise erhält ein bestimmter hydraulischer Ventilkörper durch den 3D-Druck versetzte Ölkreisläufe, wodurch der Strömungskanal um 300 % komplizierter wird. Bei der CNC-Bearbeitung sind viele Klemmen erforderlich und es ist schwierig, die Dichtigkeit sicherzustellen.
Bei der additiven Fertigung wird kein Material verschwendet, und die Materialausnutzungsrate kann über 90 % liegen, was weit über der Rate von 50 bis 70 % bei der CNC-Bearbeitung liegt.
Die Fähigkeit zur schnellen Iteration: Nach der Änderung des digitalen Modells kann es sofort gedruckt werden, ohne dass es umgeformt werden muss. Dadurch konnte die Zeit, die für die Entwicklung neuer Produkte benötigt wird, von Monaten auf Tage verkürzt werden.
Aber die anfängliche Genauigkeit (± 0,04 mm) und die Oberflächenrauheit (Ra12,5 μm) des 3D-Drucks machen es schwierig, die Anforderungen einer hochpräzisen Montage zu erfüllen. Dann kommt der CNC-Bearbeitung eine große Bedeutung zu:
Größenkorrektur: Um Schrumpfungsverformungen beim Drucken auszugleichen, sollten Sie die Führungsfläche der Werkzeugmaschine mit einer Genauigkeit von ± 0,02 mm fräsen.
Oberflächenveredelung: Präzisionsfräsen erhöht die Oberflächenrauheit von Ra12,5 μm im Gusszustand auf Ra1,6 μm und durch Hochglanzpolieren sogar auf Ra0,2 μm.
Hauptmerkmal der Bearbeitung: CNC eignet sich hervorragend für alle Arten der lokalen Bearbeitung, wie z. B. die Herstellung von Endflächen mit hoher Präzision und Gewindelöchern mit hoher Präzision.
2. Ein häufiger Anwendungsfall ist, wenn Sie sowohl komplizierte Struktur- als auch Präzisionsanforderungen erfüllen müssen.
1. In der Luft- und Raumfahrtindustrie muss ein Gleichgewicht zwischen geringem Gewicht und der Fähigkeit, viel Gewicht zu tragen, bestehen.
Ein Luft- und Raumfahrtunternehmen nutzt die Methode „3D-Druck+CNC“ zur Herstellung von Triebwerksbrennkammern:
3D-Druckverfahren: Drucken komplizierter Formen mit konformen Kühlkanälen aus Inconel 718, einer Hochtemperaturlegierung auf Nickelbasis-. Dadurch sind die Strukturen 35 % leichter und halten Temperaturen von bis zu 1200 Grad stand.
CNC-Prozess: Ultra-präzise Bearbeitung der Dichtfläche auf eine Ebenheit von 0,01 mm, um sicherzustellen, dass sie auch in Situationen mit hohem{2}}Druck gut funktioniert.
Wirkungsnachweis: Der Produktionszyklus ist 60 % kürzer als bei herkömmlichen Gieß- und Schweißverfahren und die Ermüdungslebensdauer ist doppelt so hoch.
2. Medizinische Implantate: eine Mischung aus Personalisierung und Biokompatibilität
So werden orthopädische Implantate aus Titanlegierung hergestellt:
3D-Druck: Drucken Sie anhand von CT-Daten des Patienten einen porösen Femurschaft mit einer Porosität von 60 % bis 80 % und einer Porengröße von 200 bis 500 μm. Dadurch wird die Form natürlicher Knochenbälkchen nachgeahmt.
CNC-Bearbeitung: Präzises Fräsen der konischen Passfläche, die die Knochenmarkhöhle berührt, um sicherzustellen, dass sie die H7-Toleranz einhält und eine biologische Fixierung erreicht.
Oberflächenbehandlung: Sandstrahlen und Eloxieren machen die Oberfläche rauer, wodurch Knochenzellen besser daran haften bleiben.
3. Industrieformen: ein gutes Gleichgewicht zwischen komplizierten Strömungskanälen und guter Kühlung
Ein bestimmter Formenbauhersteller nutzt eine Blended-Manufacturing-Lösung:
Durch den 3D-Druck entsteht ein Formkern mit drei Schichten interner Kühlkanäle auf einmal. Dies macht die Kühlung um 30 % effektiver und behebt das Problem von Lecks, das beim Standard-Blockspleißen auftritt.
CNC-Bearbeitung: Polieren Sie die Trennfläche auf Ra0,4 μm, um das Entfernen von Kunststoffteilen zu erleichtern.
Kostenvergleich: Die Kosten pro Stück sind um 42 % gesunken, und es besteht kein Grund zur Sorge über Formabfall durch Schweißverzug.
3, Pfad der Prozessintegration: Verbesserung des gesamten Prozesses vom Entwurf bis zur Nachbearbeitung
1. Designphase: Optimieren Sie die Topologie abhängig von den Grenzen des Herstellungsprozesses.
DFAM (Design for Additive Manufacturing): Verwendung einer Methode zur Erzeugung einer Gitterstruktur, um das Gewicht zu halbieren und gleichzeitig die Festigkeit beizubehalten.
Reservierte Bearbeitungszugabe: Reservieren Sie 0,3–0,5 mm für Elemente, die eine CNC-Bearbeitung erfordern, wie Montageflächen und Lochplatzierungen. Dadurch wird verhindert, dass das Drucken von Schichtmustern die Genauigkeit beeinträchtigt.
Optimierung der Stützstruktur: Mithilfe einer Simulationsanalyse können Sie die Menge der Stützen reduzieren und gleichzeitig sicherstellen, dass die CNC-Werkzeuge weiterhin leicht zugänglich sind. Beispielsweise wird die Halterung für eine bestimmte Luftfahrthalterung auf der unbearbeiteten Oberfläche platziert, was die CNC-Bearbeitungszeit um 30 % verkürzt.
2. Druckphase: Gemeinsame Regulierung der Einstellungen und Durchführung der Nachbearbeitung
Choose spherical powder (flowability>30 Sek./50 g), um das Pulver gleichmäßiger zu verteilen und die Porosität auf weniger als 0,5 % zu senken.
Die Wärmebehandlungstechnik umfasst zweistündiges Spannungsarmglühen bei 650 Grad und heißisostatisches Pressen (HIP), um die Dichte auf über 99,9 % zu erhöhen.
Richtungskontrolle: Verwenden Sie die Magics-Software, um den besten Winkel für die Platzierung von Elementen zu finden und so den Stützaufwand für hängende Konstruktionen zu reduzieren.
3. Die CNC-Bearbeitungsphase: Fünf-Achsen-Verbindung und intelligente Kompensation
Fünf-Achsen-Bearbeitungszentrum: Mit dem Siemens 840D-System werden komplexe Oberflächen in einem Arbeitsgang gespannt und bearbeitet, wodurch Positionierungsfehler vermieden werden.
Digitale Zwillingstechnologie: Verwenden Sie die Vericut-Simulation, um vorherzusagen, wie sich die Bearbeitung ändern wird, und nehmen Sie im Voraus Anpassungen am Modell vor. Beispielsweise verbesserte die Simulation die Konturgenauigkeit einer bestimmten Turbinenschaufel von ± 0,05 mm auf ± 0,02 mm.
Bei der Maschineninspektion: Verwenden Sie Messtaster von Renishaw, um die Bearbeitungsmaße in Echtzeit im Auge zu behalten und Fehler zu beheben, die durch Werkzeugverschleiß entstehen.
4. Stufe der Oberflächenbehandlung: Kombination von Funktionalisierung und Ornamentierung
Sandstrahlbehandlung: Verwenden Sie 120-Mesh-Glasperlen, um die Oberflächenrauheit auf Ra3,2 μm zu bringen, damit die Beschichtung besser haftet.
Mikrolichtbogenoxidation: Erstellen Sie eine 10 μm dicke Keramikbeschichtung auf der Oberfläche einer Titanlegierung. Die Folie ist 1000HV hart und fünfmal verschleißfester.
PVD-Beschichtung: Durch das Aufbringen einer TiN-Beschichtung wird die Oberfläche härter (2200HV) und erhält eine goldene Optik.