金屬3D打印零件機械加工中的挑戰和解決方案

    很多3D打印的金屬零件需要進行機械加工來生成精密的表面，但由于3D打印零件往往是具有復雜幾何形狀的輕量化零件，這給后續的機械加工帶來了挑戰。在對3D打印零件進行機械加工時需要考慮3D打印的剛度是否滿足機械加工的要求，如何用夾具夾持這些結構復雜的3D打印零件等一系列的問題。

      本期，3D科學谷將通過增材制造專家分享的一個3D打印金屬零件機械加工案例，與谷友們共同對3D打印零件機械加工中的挑戰和解決方案進行探討。3D打印是一種具有靈活性的技術，對設計的約束較少，借助3D打印技術設計師能夠實現一些復雜的設計方案，例如：輕量化結構、功能集成的一體式結構。但是增材制造技術的這些優勢，有時會因為要顧及到后續機械加工中所產生的挑戰而被減弱。如果在最初設計與制造增材制造零件時沒有充分考慮到后續機械加工中所面臨的挑戰，則可能因為零件加工失敗而產生損失。

       3D打印的零件通常需要通過機械加工來實現精確的圓孔和光滑平坦的表面，然后與其他零件裝配在一起。然而，3D打印零件所具有的復雜輕量化結構有時會由于剛度不足而不能很好的適應加工過程。此外，復雜的結構也增加了對工件進行安全裝夾的難度。

精加工的挑戰

1. 3D打印零件的剛度是否足以滿足機械加工過程中所承受的負載？零件是否會偏離刀具以及產生振動，使得刀具振動并導致較差的機加工效果？如果3D打印零件的剛度不足以滿足機械加工的要求，有哪些解決方案可以解決這些問題呢？

2. 如果剛度的問題得以解決，接下來面臨的挑戰是如何在機床上進行對準。3D打印零件在打印過程中可能存在一定的變形，缺少清晰的基準，這意味著對3D打印零件進行機械加工時，需要首先找到零件中“”好“”的部分。獲得零件的最優5軸對齊是非常重要的。

雷尼紹（Renishaw）公司通過一個金屬3D打印的微波導桿，對3D打印零件精加工中所面臨的挑戰以及解決方案進行了探索，從進行機械加工前的準備到最終完成零件的精加工，總共包括9個步驟。

左圖是用傳統設計思路和制造方式制造的導桿，由幾個部分裝配而成；右圖是3D打印的導桿，這是一個一體式的零件，與原始零件相比，重量降低一半。

這是一個為電信衛星而設計的零件，對該零件主要的性能要求是輕量化和提高微波的傳播效率，以及減少該零件對衛星有效載荷的空間要求。

解決方案 
第1步- 建立預期的切削力
首先，通過實驗來評估3D打印零件是否具有機加工所要求的足夠剛度。

動力數據（Dyno Data）顯示了重復通過的負載，可以看到峰值力大約是中間值的兩倍。還可以嘗試不同深度的切削，了解它是如何影響零件上的負載的。

第2步-模擬切削力

通過模擬過程，發現在零件自由端周邊的法蘭邊緣加工導致明顯的偏轉（大于150微米），有限元分析也顯示出明顯的扭曲，這種情況可能導致切削不均勻。

第3步-初次切削試驗

如果在以上這種情況下進行機械加工，將遇到零件偏離刀具并回彈，表面產生振動，刀具振動等問題。出現這些問題的結果是，產生差的表面光潔度。

解決這些問題的方法是提高零件在切削過程中的剛度。有兩個步驟能夠提高剛度，一是調整3D打印零件的設計，第是改變機械加工過程中的夾持方式。首先我們來了解一下，如何通過調整設計來解決這些問題。

第4步-通過改變3D打印零件的設計應對機加工的挑戰

改變3D打印零件設計的目標是使零件變得更加堅硬，在本案例中，設計師使用的方式是，為零件添加了連接零件兩端部件的支撐結構，以減少在切削試驗中看到的缺陷。

或者是在兩端部件之間添加連接的桁架結構，這種方式較為復雜。

通過調整設計方案來提升剛度的弊端是增加了零件所占的體積，這可能會影響到其他組件所需要占用的空間，降低設計的整體效率。還有一個值得注意的問題是，在常規的工件裝夾方式下，調整設計后的零件往往仍無法滿足機加工要求，這時就有必要重新考慮零件的裝夾方式。

第5步-重新考慮零件的裝夾方式
在本案例中，重新裝夾方式的具體方案是，為3D打印零件設計一個定制化的夾具，并用3D打印設備直接將定制化的夾具制造出來，減少了零件變形和表面被損傷的風險，使3D打印零件更加靠近加工特征，減少偏轉和振動。

第6步-進行定制化夾具的建模

在對夾具中的3D打印零件進行有限元分析時，設計師發現可以通過對零件中“直”的結構進行更好的夾持來進一步提升剛度。

第7步 機加工準備
完成3D打印零件的設計調整和定制化夾具的設計、制造之后，就可以進入到機械加工的準備階段了。

圖為拓撲優化的3D打印零件在柔性量規上測量，以產生5軸對準，用于后續加工。

在此過程中，當機械軸的線性和旋轉運動超出制造精確零件所需的公差時，就會出現錯誤。在本案例中，工程師使用了的Renishaw 接觸式測頭和計量軟件NC-Checker 來識別和監測這些問題。

第8步-零件設置
    在常規的機械加工中，往往是先創建基準面，然后使用這些特征來對齊和定位零件，以用于隨后的加工操作。但是對于本案例中的3D打印零件，沒有按照常規方法來進行，這是因為精度基準必須在生成所有其他表面之后被添加到最終加工操作中。

3D打印零件設置的挑戰是，通過零件的實際形狀來設置，這涉及到在所有計劃切削精密特征的區域理解零件的材料狀況，同時考慮到機械加工留量，零件的變形等因素。在本案例中，設計師試圖尋求在所有這些位置留下足夠材料，從而允許一致和有效的切削。在這一步驟仍可使用測頭和計量軟件，找到精加工的“最佳擬合”設置。

進行精加工3D打印零件設置的另一種方式是，使用車間可編程的規格來測量零件并執行對齊。此方法更適用于更大批量的應用。

第9步-機械加工
通過上述8個步驟的的準備，所得到的組件具有在公差范圍內的臨界尺寸，并且表現出良好的表面光潔度。與早期的加工切削試驗相比，刀具振動和磨損大大降低。

    機械加工通常是金屬3D打印工藝鏈中的一部分， 這也是一個具有逃戰和風險的過程，如果機械加工失敗，將導致一個有價值的3D打印零件報廢。如果在設計3D打印零件之初就能夠考慮到機械加工中所面臨的挑戰，將有助于降低失敗的風險。歡迎各位3D打印零件機械加工方面有探索經驗和心得的谷友，通過留言的方式或在3D科學谷的微信群和QQ群中分享這些經驗。