混合添加剂制造在未来的工厂

计算机数控（CNC），是工业时代对减肥制造业古老遗产的回应。虽然史前雕塑家在坚实的石头上剔除，揭示他们的想象力的数字，但现代机械师使用CNC用数学精度将散装金属雕刻成均匀的零件。

添加剂制造，也称为3D打印，采用相反的方法，通过在连续层中添加原料来构建内部的部件。该技术具有与减法制造的不同的经济优势，因为它最大限度地减少了浪费并产生复杂的几何形式，而不会引入从熔合加工零件的新压力点。

添加剂制造最近仅应用于利益机械师的材料种类，并且仍然不理想。尽管其灵活性，但3D打印尚未能够生产具有足够平滑度的金属表面。

“人们谈论金属3D打印，好像打印机出来的东西结束，并且很少是这种情况，”混合动力制造技术的联合创始人兼首席执行官杰森琼博士说。

琼斯首先雇用了3D打印环境，期望他的减数体验有助于解决3D金属印刷中的剩余缺陷。

“他们有一个数控机器并说，'你认为我们可以结合这些技术吗？”“琼斯说。“我似乎很清楚，这些技术是互补的 - 它们通常不会彼此反对。他们对不同的东西非常擅长。“

从聚合物到粉末

虽然自20世纪80年代初以来，3D打印或“快速原型设计”，但“重点主要是塑料，”Univar Solutions的润滑剂专家Mandi McElwain解释道。为光聚合物开发了早期的3D印刷过程，当暴露于UV光时硬化。发明的选择性激光烧结在1989年发明，通过在沉积的金属粉末上训练激光束来仔细地将它们熔合到连续表面层中的类似壮举。然后在最终层凝固之前，可以在最多的金属粉末中加入另外的金属层。

从那时起，金属3D打印过程的选项继续扩大。Lehigh大学材料科学与工程系主席Wojciech Misiolek博士表示，大多数技术仍然基于粉末。

“粉末被激光熔化，或与粘合剂混合，然后除去粘合剂并烧结金属。Misiolek表示，存在将粉末喷射到血浆火焰中并沉积到基板中的技术。“

混合方法

然而，一旦沉积了层，金属部分受到塑料3D印刷部分的一些相同的限制：表面尚未完成。对于混合动力制造的倡导者，这是CNC加工方面真正闪耀的地方。“在一天结束时，大部分时间你都没有得到你想要的表面处理，所以仍然需要CNC加工，”Mcelwain说。“这就是混合制造业是如此独特的原因。”

“表面粗糙度和表面纹理对最后的部件持续多长时间，但印刷的3D印刷部分与平均砂纸一样粗糙，”琼斯说。“你怎么让他们顺利？”

混合动力车制造通过有意地混合添加剂和减法制造工艺来回答该问题，耦合3D打印的效率和速度与CNC加工的表面控制。

由于其可变头用于加工，存放和检查，因此组合的设置可以在其移动到下一个步骤和机器时检查其自身的工作，以防止预定规格。

“它真的封闭了很多打开的循环，他们必须追踪，维护和相关，”琼斯说。“你几乎可以考虑它作为未来的工厂 - 但在一个解决方案中，一个单一的设置。”

混合优势

添加添加剂和减数制造业最适合定制的制作计划，这些制作计划反映了每种方法的优势和弱点。对于CNC加工的所有精度和灵活性，有几个任务从添加方法具有固有的更容易。光滑的金属表面可能无法达到3D打印，但内部复杂性是完美的挑战：加入方法可以建立复杂的几何结构，即使是金属。

“铸造或绘图或冲压并不能够用3D印刷材料实现的结构的复杂性，”McElwain说。“你今天真的无法在一件上像毛孔或频道一样设计。你必须焊接它们，这在高温环境中创造了一个压力点。“

通过加剧和以连续的方式产生这些微妙的设计，3D金属印刷最小化了热应力点的风险。这对于刀具制造等应用特别有用，其中原材料经常被归类为“难以焊接”。

质量保证原位

质量保证是混合动力车制造设置从其双重方法获得额外里程的另一个领域。“随着减数制造，最终质量保证步骤通常在生产线结束时发生，并且必须重新加工或丢弃缺陷的部件，”琼斯说。

然而，在添加剂制造中，质量保证正在成为一个正在进行的过程：3D打印机使用特殊检查头来测试每个元素的完整性。

“通过混合解决方案，您可以以原位评估质量，”琼斯说。“如果您发现缺陷或异常，您可以将其铣削并加入新的表面涂层。”

原位检查可能导致下游效率，因为资源不会浪费在具有一个不可救的缺陷的一部分中，以及重新设计阶段的有价值的数据。

“也许您需要调整一个参数。也许你需要一个不同的材料，“琼斯说。“你能够在一个设置中做到这一点，并立即获得反馈[到]实际制作零件的人。”

加工还为混合动力设置提供了优势。除了产生光滑的金属表面的卓越能力外，加工是生产某些部件几何形状的更有效的选择，如那些专为加工而设计的部分几何形状。添加剂打印机往往会慢得多，但这种延迟可以通过混合设置抵消，这是避免更昂贵且时间密集的步骤，如供应商，商店，检验服务和客户之间运输。

商店如何适应混合型设置

混合设置可能是变革性的，但过渡不需要痛苦。“在几个小时内，任何机械师都可以学习如何存放金属，碳纤维或聚合物，”琼斯说。

它有助于将目标区域传送到具有三维坐标的机器的几何代码或G代码，这是一致的添加剂和减法方法。

“向现有数控添加添加能力意味着它是它们使用的相同的机器，相同的G代码，只有几种定制的编辑以适应添加剂技术，”琼斯说。

操作CNC机器是3D打印的许多方面的完美培训，需要几个添加了几个。那些专门在全减法环境中工作的人将不得不习惯于回答他们现在通过添加剂建造的材料的内外和外部质量。

“如果您不习惯添加任何东西，通常您通常会在钢厂购买。你假设它是坚实的金属，而且由于常规的高质量标准，你不用担心内部有缺陷，如不连续，孔隙度或其他缺陷，“琼斯说。“但是，当您添加金属时，您现在也负责外部和内部属性。”

采用经常从商店开始印刷自己的固定装置，图案和其他类型的制造或来自聚合物或复合材料的艾滋病。第一进入金属印刷通常将少量金属添加到现有部分（例如涂层或添加特征）。这一举动允许人们进入生产的节奏，而无需立即进行显着的设计变化。

最终，当它与新设计配对时，最有效地使用添加剂制造。琼斯表示这是混合动力车制造的最佳应用。明智的是不要低估这一步骤，因为当用户开始从头开始设计和建立新的复杂结构，管理热梯度并导致残余应力可以棘手而无需稳健的仿真工具。此外，加工步骤可以减轻一些应力，这可能导致失真，如果没有正确管理。

用于混合添加剂制造的设计

根据一个共同的设计，纯粹的减肥制造非常适合于工业生产，其中金属基板可以用块状和均匀加工。但金属部件市场显着变化。最终用户越来越喜欢小批量的定制部件，这会产生浪费，并降低建立制造方法的利润率，如加工。¹

混合动力车制造的许多应用都适用于表面工程。琼斯解释说，经常是边缘被加强或表面包覆以增加耐磨性和热性能，或避免腐蚀和氧化。这允许使用低成本的基板，并且只需要最需要的高性能材料。这为许多应用程序开辟了新的机会，包括轴承，凸轮轴，轴承座，齿轮，磨损表面，模具，模具和高温零件。添加的最流行的材料通常是难以充电的合金，包括工具钢，镍和钴基材料和金属基复合材料。

Misiolek将进一步逐步逐步，他表示，剩余最有趣的问题是关于各种材料如何响应3D打印过程。“我们正在运行大量的测试，佩戴测试，探讨这些材料持续时间升高的温度，”Misiolek说。一些将使部分产量产生巨大竞争者的金属难以以粉末形式提供。甚至似乎完全适合打印设置的材料也可以与成品部分的其他层组合携带。“问题是，”我们可以在物理学中做对，因为使热膨胀系数足够接近，以便它们可以一起工作？“”莫雷克说。

本文首先出现在摩擦学和润滑技术（TLT）中，每月杂志摩擦学家和润滑工程师协会（Stle）是一个在伊利诺伊州公园里奇公园的国际非营利性专业社会。Stle是CFE媒体内容合作伙伴。

参考

1. Merklein，M.，Junker，D.，Schaub，A.和Neubauer，F。（2016），“混合添加剂制造技术-AN分析有关潜在和应用”，物理程序，83，PP。549-559，点击这里。