源自增材金屬零件的十大寶貴經(jīng)驗(yàn)

達(dá)爾康對(duì)機(jī)加工了如指掌，公司未來的目標(biāo)是繼續(xù)加深對(duì)增材制造的了解。作為計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）/計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM）軟件供應(yīng)商（現(xiàn)為歐特克一部分）不僅希望能在加工增材制造零件方面引領(lǐng)客戶，還正在努力開發(fā)一款名為Part-Builder（零件制造商）的增材制造軟件。但公司合作研究和創(chuàng)新項(xiàng)目經(jīng)理Jan Willem Gunnink承認(rèn)公司還有很多需要學(xué)習(xí)的地方。正如制造業(yè)的其他方面，達(dá)爾康在增材制造方面的學(xué)習(xí)曲線正在上升，為了更為深入的學(xué)習(xí)，公司根據(jù)其近期在增材生產(chǎn)領(lǐng)域開展的幾項(xiàng)試驗(yàn)分享了其經(jīng)歷成果——成功的經(jīng)驗(yàn)和失誤的教訓(xùn)。

圖1  達(dá)爾康在增材制造方面的實(shí)驗(yàn)不僅涉及零件增大，還通過所有成批生產(chǎn)所必要的工藝步驟，尤其是使用機(jī)加工對(duì)其進(jìn)行探索

公司在此方面是值得贊揚(yáng)的，從經(jīng)驗(yàn)中學(xué)習(xí)的代價(jià)是高昂的，公司所開展的增材制造項(xiàng)目耗費(fèi)約數(shù)萬美元。此外，從經(jīng)驗(yàn)中學(xué)習(xí)并非易事，回顧過去，其中不乏顯而易見的過失，令人唏噓，達(dá)爾康對(duì)其發(fā)現(xiàn)成果和失誤不足都進(jìn)行了保密。相反，Gunnink和其他參與該項(xiàng)目的人員就上述方面開展了自由討論。

達(dá)爾康在實(shí)驗(yàn)中通過增材制造生產(chǎn)的零件是一根長(zhǎng)95mm，大凸緣處直徑為90mm的錐形316L不銹鋼歧管，外加一個(gè)凸緣和一個(gè)大孔徑，兩者皆與該零件成直角延伸至零件外徑之外。該零件（實(shí)際生產(chǎn)組件）通常的制造方式是鑄造，但達(dá)爾康想要通過粉體金屬增材制造過程對(duì)其進(jìn)行加工制造，以此體驗(yàn)將增材制造用于生產(chǎn)的利弊。公司不愿透露其采用的增材制造設(shè)備（為了不暗示其對(duì)該設(shè)備的認(rèn)可和偏好），但工藝流程包括一塊制造板。設(shè)備加工了四根歧管，因?yàn)檫@是在一個(gè)循環(huán)內(nèi)的制造板上可加工的最大數(shù)量。設(shè)備不僅對(duì)零件進(jìn)行了增材加大，而且進(jìn)行了全步驟生產(chǎn)，包括從后加工至最終形成功能部件——正如這是其實(shí)際生產(chǎn)過程中所要實(shí)施的步驟。

正如Gunnink對(duì)我描述的一樣，他們從整項(xiàng)工作中總結(jié)了至少十大寶貴教訓(xùn)。引人注目的是，該經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)涉及機(jī)加工的程度和直接涉及增材制造的程度相同。現(xiàn)將達(dá)爾康總結(jié)的十大寶貴經(jīng)驗(yàn)匯總?cè)缦拢?br />
規(guī)劃始于后加工

在任何增材制造零件的制造過程中，應(yīng)馬上解決關(guān)于增材之后的制造步驟問題。例如，增材周期結(jié)束后，應(yīng)如何將零件移出制造板？而且哪些特性需要通過減材而非增材加工（機(jī)加工）生成？這些問題至關(guān)重要，因?yàn)樗鼈儧Q定了增材周期。它們決定著送至增材設(shè)備的零件結(jié)構(gòu)。在達(dá)爾康的案例中，參與該研究的工程師希望通過線切割將零件從制造板中移出，所以他們?cè)诹慵�和制造板之間額外增加了2mm的備用物，以便為線切割提供空間。此外，他們還希望鉆孔（因?yàn)樵霾闹圃旃に囋谥圃斐鼍�確圓孔方面性能不佳）并采用數(shù)控機(jī)床完成關(guān)鍵嚙合面的加工。根據(jù)上述決定，增材制造零件的設(shè)計(jì)包括對(duì)“非設(shè)計(jì)”的測(cè)量，因?yàn)楣こ處熞�填堵模型中的孔并向嚙合面增加磨粉備用物以便增大最終形成的增材零件形狀。

這一“非設(shè)計(jì)”的一項(xiàng)重要例外就是歧管內(nèi)有一個(gè)孔連接兩個(gè)腔室，這個(gè)孔本可用機(jī)床進(jìn)行制造（一臺(tái)鉆孔機(jī)即可），但相反，該孔被留在了合適的位置用于增材生產(chǎn)。原因：一旦制造板和零件被移出增材設(shè)備并被顛倒，該孔可為未熔化的粉末金屬提供一個(gè)鉆孔以便粉末金屬從其下方的腔室倒出。Gunnink講道，若無此版本，在腔室內(nèi)累積的粉末與氣密室內(nèi)的氣體結(jié)合后會(huì)在電火花加工（EDM）中形成火災(zāi)隱患。

創(chuàng)新或可造成特性流失
并非所有的增材設(shè)計(jì)技巧都是為了提高最終零件制品的特性。還有一些是針對(duì)注定要被切走并棄用的零件形式。在增材中，每一零件水平方向上的設(shè)計(jì)特色是存在皺縮危險(xiǎn)，因?yàn)檫@種形式在制造過程中各層之間的成形時(shí)間僅僅相差1min。解決方案是根據(jù)這些特性增加支撐，有時(shí)是增加成品形狀的半徑（類似于增大鑄件的模鍛斜度），有時(shí)是在零件切削前提供支撐物或加固物（其持續(xù)時(shí)間和制造周期一樣長(zhǎng)）。

達(dá)爾康工程師需要在歧管零件的兩個(gè)內(nèi)部腔室之間的水平層增加切削下來的支撐物，但此類支撐物的設(shè)計(jì)對(duì)他們而言仍是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。典型的增材支撐結(jié)構(gòu)，即金屬薄膜會(huì)把下室劃分為數(shù)個(gè)子腔室用于堵住粉末，形成上述火災(zāi)隱患。工程師們提出的代替性解決方案是采用成年“樹木”——高細(xì)長(zhǎng)柱以及用于力量支撐的分支柱，從而支起這一實(shí)體肋板而不妨礙粉末倒出。

為總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)留出空間
為達(dá)爾康生產(chǎn)零件的增材制造承包商不想在同一制造周期內(nèi)將四個(gè)零件全部制造出來，即使四個(gè)零件都適用于制造板。原因是增材制造在零件制造過程中，剩余應(yīng)力和其他效果方面含有相當(dāng)大的不確定性。最好的方式是先制造一個(gè)零件，觀察其構(gòu)成，看看是否有什么教訓(xùn)需要總結(jié)，然后再制造其他零件。

而且，在首個(gè)零件制造中，的確也會(huì)發(fā)現(xiàn)意想不到的效果。顯然，影響“樹木”形成的剩余應(yīng)力會(huì)造成其中的一棵樹長(zhǎng)得足夠高，從而損毀設(shè)備橫過每層材料的重涂棒。棒的這一缺陷會(huì)影響到其后的每一層，而且還會(huì)被視為設(shè)備所產(chǎn)出零件最終表面的相應(yīng)缺陷。這一缺陷令人擔(dān)心，因?yàn)樗�意味著來自葉片的材料丟失在了某處，而且可能已嵌入零件。舉例而言，在像渦輪葉片一樣重要的部件中，必須要解決這一可能問題。但就試驗(yàn)歧管而言，該團(tuán)隊(duì)打算繼續(xù)進(jìn)行生產(chǎn)。無論方式如何，有缺陷證據(jù)的表面都需要磨平。

從首次制造總結(jié)出的這一更直接且有意義的教訓(xùn)沒來得及得以應(yīng)用。也就是說，直到時(shí)長(zhǎng)80h的二次制造開始后，工程師才發(fā)現(xiàn)零件已從本可影響零件定型制造板上移除。令人沮喪的是，一項(xiàng)僅影響第二次制造的發(fā)現(xiàn)也浮出水面。關(guān)于此二次制造中的三個(gè)零件，其中一個(gè)有一個(gè)較小卻明顯的幾何缺陷。為什么僅這一個(gè)零件受到了影響？原因仍未可知。

如Gunnink所說，最終，第一次僅制造一個(gè)零件的這一選擇，雖然這是一個(gè)謹(jǐn)慎而正確的選擇，仍未以任何有意義的方式有益于剩余零件的制造。

考慮用帶鋸拆卸零件

線切割是為了將金屬增材制造零件從其制造板切割下來所選擇的一種工藝。這一精確的切割操作會(huì)形成干凈的正方形表面。然而，通過歧管零件大型制造基礎(chǔ)的電火花加工速度較低。正如增材周期一樣，電火花加工周期長(zhǎng)達(dá)數(shù)小時(shí)，是構(gòu)成前置時(shí)間的主要因素。達(dá)爾康工程師已增加了2mm的備用物為電火花加工留出間隙，但他們意識(shí)到本該增加5mm的備用物用于帶鋸鋸削。用鋸鋸削零件速度將高得多，而且精度不足也不會(huì)造成損失，因?yàn)闊o論如何，表面還會(huì)進(jìn)行數(shù)控加工。不幸的是，在認(rèn)識(shí)到這一點(diǎn)之前第二次增材制造已經(jīng)開始了，故而無法再增加備用物。

增材制造是鑄造的一個(gè)強(qiáng)大競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手

這一教訓(xùn)證實(shí)了達(dá)爾康對(duì)項(xiàng)目的期望，并找到了公司期望增材制造不斷發(fā)展的確切原因。工程師們對(duì)增材零件進(jìn)行了測(cè)量，以便對(duì)增材制造在通過鑄造生產(chǎn)此類相同零件方面的作用發(fā)揮機(jī)制一探究竟。

此案例中的增材工藝更準(zhǔn)確。Gunnink講道，這不是一條普遍性結(jié)論，有案例表明鑄造更精確。然而，與傳統(tǒng)工藝相比，增材制造有助于歧管等近凈成形零件更近似于凈成形零件。例如，通過增材制造的名義上的圓形歧管，其同軸度在整個(gè)零件內(nèi)≤0.2mm。同時(shí)，增材制造的零件的前置時(shí)間也很有競(jìng)爭(zhēng)力。盡管增材制造在大容量零件的生產(chǎn)方面一般無法與鑄造相比，但當(dāng)數(shù)量足夠小、前置時(shí)間足夠緊、或幾何結(jié)構(gòu)足夠奇特從而鑄造固定采用的模具不適用時(shí)，增材制造卻是鑄造杰出的替代工藝。

機(jī)加工并非事后想法

因?yàn)樵霾闹圃炝慵�與凈成形如此相似，以至于將其加工成成品形狀看起來不過是個(gè)次要問題，或者說不足為慮。但根據(jù)Gunnink的觀點(diǎn)，事實(shí)遠(yuǎn)非如此，該團(tuán)隊(duì)面臨著加工挑戰(zhàn)。

例如，將三個(gè)零件定位于制造板上會(huì)形成一項(xiàng)交錯(cuò)配置，可促使電火花加工線對(duì)零件進(jìn)行一個(gè)接一個(gè)的切削。然后，因?yàn)閷?shí)際零件的電火花加工周期與第一次切削不相連，結(jié)果是當(dāng)切削面完成后，該零件外徑處會(huì)形成一個(gè)槽。斷續(xù)切削會(huì)有損刀具。

此外，“樹形”支撐證明其很難被研磨掉。他們不會(huì)壞掉，但會(huì)彎曲。同時(shí)，切屑瘤會(huì)造成刀具壞掉。Gunnink承認(rèn)，部分原因在于對(duì)熱處理的忽視。達(dá)爾康從增材供應(yīng)商處獲得零件，但未意識(shí)到零件并未經(jīng)過熱處理。如果經(jīng)過了熱處理，樹木韌性會(huì)降低，而且很可能會(huì)比較容易被研磨掉。據(jù)其所述，這表明在增材處理伊始需要進(jìn)行規(guī)劃，且在整個(gè)過程中要保持明了的溝通。

復(fù)雜的機(jī)加工能力更適用

最初，達(dá)爾康團(tuán)隊(duì)計(jì)劃在五軸加工中心加工歧管零件，隨后他們選擇了多任務(wù)處理車銑機(jī)床。不管怎樣，能夠進(jìn)行復(fù)雜運(yùn)動(dòng)的機(jī)床，尤其是能夠在一次設(shè)置中加工不同零件表面的設(shè)備已準(zhǔn)備就緒。因?yàn)榱慵�在增材制造后如此地幾近完成，我們很容易認(rèn)為一臺(tái)簡(jiǎn)單的機(jī)床就可以進(jìn)行所需的機(jī)加工。然而，就其性質(zhì)而言，增材制造適用于生產(chǎn)復(fù)雜的零件，這意味著通過增材工藝生產(chǎn)的工件可能需要以下兩者之一：精心制作的夾具，用于將其固定于簡(jiǎn)單的設(shè)備上；一臺(tái)機(jī)床，用于將機(jī)床調(diào)至不同的位置。

還需要2D圖紙嗎

這是達(dá)爾康團(tuán)隊(duì)遇到的另一個(gè)機(jī)加工問題：公司的機(jī)械工廠忽略了一個(gè)特性。支撐物本應(yīng)被切削掉，但工廠將其保留在了原位，誤以為這是設(shè)計(jì)特性之一。工廠已接入終型計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)模型和近終型計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)模型，并可將兩者進(jìn)行比較并探究對(duì)設(shè)備的異同影響。盡管如此，這項(xiàng)特性被忽視了。

具有諷刺意味的是，使用這種先進(jìn)的3D工藝可能支持2D圖紙作為溝通工具。如果工廠獲得了帶注釋和箭頭而且應(yīng)消除的特性得以明示的圖紙，那么就不會(huì)犯下這樣的錯(cuò)誤。

前置時(shí)間很快，但沒有閃電快

在增材制造過程中，增材并非唯一的步驟。對(duì)這一零件而言，兩次增材周期的時(shí)間很長(zhǎng)（分別為55h和80h），但線切割的總體前置時(shí)間（包括送至機(jī)械工廠，等待電火花加工設(shè)備加工此零件以及實(shí)際的電火花加工周期）更長(zhǎng)。通過增材制造及后加工制造4個(gè)零件產(chǎn)品的前置時(shí)間總計(jì)約為一個(gè)月。

這本可輕易地得以縮短。用帶鋸將零件從板上鋸下可節(jié)省大量時(shí)間。而且，本實(shí)驗(yàn)期間增材制造設(shè)備的壓縮機(jī)發(fā)生了故障，使前置時(shí)間延長(zhǎng)了數(shù)日，但達(dá)爾康將其計(jì)入了總的前置時(shí)間，因?yàn)椤笆鹿拾l(fā)生”是制造過程的一部分。增材制造包含后加工步驟以及本身可能很耗費(fèi)時(shí)間的步驟。增材制造通常會(huì)比需要制作工具的工藝流程耗費(fèi)的前置時(shí)間短，但根據(jù)零件的不同，與僅包含用固體材料加工零件這一步驟的工藝流程相比，增材制造耗費(fèi)的前置時(shí)間較長(zhǎng)。

增材制造是真正的制造
增材制造不僅僅是將零件“增大”。更具體地說，增材制造并非指讓零件通過一晚上逐漸成形，第二天早上制造完成，隨時(shí)可用。談及金屬零件的加工，增材制造幾乎不會(huì)如此簡(jiǎn)單。增材并非是一段工藝流程中的一個(gè)步驟，而是一段工藝流程中的幾大重要步驟之一，所以正如其他零件制造方法一樣，增材制造需要工藝設(shè)計(jì)、協(xié)調(diào)和物流，這是達(dá)爾康在增材制造試驗(yàn)中得出的最基本的結(jié)論，即增材制造絕非易事。正如其他的精確功能部件制造方法一樣，增材制造受益于制造專業(yè)人士通過培訓(xùn)和艱難實(shí)踐總結(jié)的諸多教訓(xùn)。簡(jiǎn)而言之，增材制造的進(jìn)步將為增材制造這一專門技術(shù)開辟市場(chǎng)空間。

來源： MM現(xiàn)代制造