3D打印工藝的后期加工處理出現(xiàn)挑戰(zhàn)，如何處理？

通過(guò)增材制造(AM)生產(chǎn)功能零件可以幫我們?cè)O(shè)計(jì)和制造采用任何其它方法都無(wú)法制造的產(chǎn)品。利用3D打印的靈活性，我們可以讓零件具備一些性能優(yōu)勢(shì)，如質(zhì)量輕、熱效率高。我們可以將獨(dú)立的部件集成到形狀復(fù)雜的整體設(shè)計(jì)中，并且這一切都可以在一個(gè)構(gòu)建過(guò)程中完成，而構(gòu)建過(guò)程通常是高度自動(dòng)化的，材料利用效率高、生產(chǎn)廢料少。

然而，增材制造也有缺陷。存在以上優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，增材制造在后加工方面確實(shí)也面臨著一些令人頭疼的問(wèn)題。增材制造零件的精加工難度很大，因?yàn)樗鼈冎亓枯p、形狀復(fù)雜。兩種特點(diǎn)都會(huì)產(chǎn)生工件夾緊和振動(dòng)的問(wèn)題，導(dǎo)致工藝產(chǎn)量過(guò)低。另外，如果復(fù)雜部件缺少精確的完工后校正數(shù)據(jù)，那么部件的對(duì)齊也存在問(wèn)題。

本文要解決的問(wèn)題是，讓輕質(zhì)零件具備足夠的剛度，以便進(jìn)行有效的精加工。我們會(huì)探索如何采用有效的工件夾緊方案制造可切削的非剛性增材零件。我們還會(huì)介紹如何使用機(jī)床探測(cè)裝置進(jìn)行復(fù)雜的增材制造零件對(duì)齊，幫助我們?cè)谝呀?jīng)確定的形狀內(nèi)“找到合適的零件”，并正確加工關(guān)鍵基準(zhǔn)面。

圖1 如果一個(gè)3D打印零件幾何形狀很復(fù)雜，則加工時(shí)必須采用特殊的工件夾緊裝置，或許采用3D打印工件夾緊裝置

加工需求
加工需求多種多樣，所以增材或3D打印工藝無(wú)法加工符合精準(zhǔn)公差的形狀，尤其是金屬材料。通常需要進(jìn)行后加工，得到精確的圓孔和光滑平整的表面，與其它零件進(jìn)行連接。然而，重量太輕常會(huì)降低增材制造零件剛度，這意味著它們無(wú)法很好地完成加工工藝。增材制造零件形狀復(fù)雜，如何實(shí)現(xiàn)穩(wěn)固夾持而不造成損壞是一個(gè)難題。最后，在增材零件成形后通常需要加工成基準(zhǔn)圖形，如何安裝部件進(jìn)行精加工成為一個(gè)難題。

這些問(wèn)題與復(fù)合材料和超塑性成形零件制造商面臨的挑戰(zhàn)有很多相似性——即復(fù)雜形狀可能發(fā)生變形，必須在變形的位置加工出精確形狀。增材制造用戶可以學(xué)習(xí)其他行業(yè)解決增材制造問(wèn)題的最佳方法。南極熊認(rèn)為本文實(shí)在是一篇非常干貨的技術(shù)文章。

案例研究：微波導(dǎo)管
在增材制造加工問(wèn)題當(dāng)中，首先要考慮到的是零件剛度是否足夠承受加工期間必須承受的載荷，由此產(chǎn)生了很多問(wèn)題。假設(shè)我們現(xiàn)在有一個(gè)零件，可以通過(guò)設(shè)計(jì)或支持提供足夠的剛度，那么另一個(gè)重要問(wèn)題就是如何獲取數(shù)據(jù)和在我們的機(jī)床上進(jìn)行校準(zhǔn)。對(duì)于形狀復(fù)雜的增材制造零件，其構(gòu)造過(guò)程中可能存在一些變形，而且缺少精確的數(shù)據(jù)，這意味著我們必須在已經(jīng)加工出的形狀之內(nèi)“找到合適的零件”。我們的增材制造零件能否實(shí)現(xiàn)最佳的五軸校準(zhǔn)至關(guān)重要。

圖2 用于加工零件形狀的3D打印夾鉗可以將零件密封在工件夾緊裝置內(nèi)

我們關(guān)注的案例研究零件是一個(gè)針對(duì)電信衛(wèi)星設(shè)計(jì)的微波導(dǎo)軌。零件的關(guān)鍵性能要素包括重量、微波通過(guò)其傳輸?shù)男�率和它�?duì)衛(wèi)星有效載荷的空間要求。

第1步：切削力的效果
首先，我們需要知道零件是否具備足夠的剛度可以應(yīng)對(duì)我們將施加的切削力。這一點(diǎn)可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定，實(shí)驗(yàn)方法是使用恰當(dāng)材料的廢棄板材連接在測(cè)力計(jì)上，對(duì)切削力進(jìn)行估算。之后，采用有限元分析(FEA)將按照上述方法確定的最大和典型切削力施加到我們的零件上。通過(guò)真實(shí)零件上的試切口可以觀察切削力產(chǎn)生的效果。

我們加工微波導(dǎo)管時(shí)遇到了問(wèn)題。零件進(jìn)行切削時(shí)偏離刀具并彈回，引發(fā)了共振和刀具顫動(dòng)，導(dǎo)致部件表面粗糙。結(jié)果是法蘭周邊尺寸太小，表面平整度較差。

我們?cè)谇邢鬟^(guò)程中需要提高零件剛度。有兩種方法可選：改變零件設(shè)計(jì)或改變加工過(guò)程中的支持方法。

第2步：通過(guò)設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)?
一種方法是考慮我們能否在增材制造零件的設(shè)計(jì)方面做出一些改變，提高零件剛度。在FEA示意圖中，我們已經(jīng)增加了一些支撐物用于連接部件兩端和減小我們?cè)谇邢鬟^(guò)程中發(fā)現(xiàn)的偏轉(zhuǎn)。

這種方法存在的問(wèn)題是，我們已經(jīng)增加了零件的封裝，影響了其它部件所占據(jù)的空間，降低了總體的設(shè)計(jì)效率。另外，我們?cè)黾拥膭偠瓤赡苋匀粺o(wú)法滿足使用基本工件夾緊方法進(jìn)行零件加工的要求。

第3步：重新考慮工件夾緊
如果我們?cè)诓粏适г霾闹圃焖�提供�?yōu)勢(shì)的情況下，很難改變零件設(shè)計(jì)，那么我們應(yīng)該考慮在進(jìn)行金屬加工時(shí)采用其它方法固定部件。我們需要找到一種方法將部件的支持分散開，減小偏轉(zhuǎn)和振動(dòng)，以防使用硬固定裝置夾持零件時(shí)將其損壞。方法有很多，包括采用粘合劑進(jìn)行工件夾緊和使用一組移動(dòng)銷釘，按照復(fù)雜形狀進(jìn)行工件夾緊。

然而，我們還可以考慮采用增材制造的方法，即制造一些封裝好的3D打印夾鉗。這些方法都可以將夾持力分散到整個(gè)金屬零件，降低發(fā)生變形或表面發(fā)生損壞的風(fēng)險(xiǎn)。它們還能確保金屬零件與目標(biāo)加工形狀更接近，減少偏轉(zhuǎn)和振動(dòng)。

第4步：做好加工準(zhǔn)備
產(chǎn)生加工廢料的主要原因之一是機(jī)床幾何性能差，體現(xiàn)在絕對(duì)性能和隨時(shí)間的相對(duì)漂移。機(jī)床軸的線性和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)范圍超過(guò)準(zhǔn)確制造零件所需的公差時(shí)，會(huì)產(chǎn)生誤差。因此，我們必須控制不同方向上的加工基準(zhǔn)圖形之間的幾何公差，這與加工微波導(dǎo)管是一樣的。

我們可以使用機(jī)床上的計(jì)量工具判斷零件的幾何精度，利用接觸式測(cè)頭檢查線性和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)情況。Metrology Software Products公司生產(chǎn)的NC-Checker是一款用于分析這些檢查結(jié)果的軟件工具。它將探測(cè)結(jié)果整合到一份報(bào)告中，幫助我們確認(rèn)五軸機(jī)床的實(shí)際準(zhǔn)確度。開始加工之前，我們的機(jī)床自帶的標(biāo)準(zhǔn)程序?yàn)槲覀兲峁┝艘粋�(gè)參考點(diǎn)，幫助我們發(fā)現(xiàn)可能影響性能的問(wèn)題。隨著時(shí)間的推移，這份報(bào)告還可以提供機(jī)床的漂移數(shù)據(jù)，并在機(jī)床達(dá)到臨界點(diǎn)發(fā)出警告，告訴我們機(jī)床可能需要維護(hù)。

之后，如果機(jī)床一切正常，我們就可以開始切削工件了，是嗎?不一定。

增材制造會(huì)從很多方面改變工件制造過(guò)程，其中一個(gè)實(shí)例就是數(shù)據(jù)生成方式。在傳統(tǒng)的加工過(guò)程中，我們通常是先加工出基準(zhǔn)形狀，然后使用這些基準(zhǔn)形狀對(duì)零件進(jìn)行校準(zhǔn)和定位，為后續(xù)的加工做好準(zhǔn)備。然而，對(duì)于增材制造我們不能這樣做，因?yàn)榫�確數(shù)據(jù)要在生成所有其它表面后，進(jìn)行最后一步加工操作時(shí)添加。

因此，設(shè)置增材制造零件的困難在于需要考慮已經(jīng)形成的實(shí)際形狀，這樣我們才能順利完成零件的精加工。實(shí)質(zhì)上，我們要做的是理解我們打算切削精確圖形的所有區(qū)域的零件形狀，并考慮計(jì)劃?rùn)C(jī)加工余量和計(jì)劃外的零件變形。我們需要對(duì)零件進(jìn)行對(duì)齊，在所有這些位置留出足夠的材料，以確保切削統(tǒng)一、有效。

這次我們又要用到探測(cè)裝置�？梢允褂肗C-PerfectPart提供各種多點(diǎn)對(duì)齊選項(xiàng)，充分考慮材料的實(shí)際情況，找到與精加工“最匹配”的設(shè)置。對(duì)于微波導(dǎo)管，要使用所有測(cè)量點(diǎn)處的材料狀態(tài)重復(fù)初步對(duì)齊過(guò)程，確定實(shí)現(xiàn)最佳統(tǒng)一切削條件所需的多軸對(duì)齊和位置偏移量。設(shè)置過(guò)程第二階段是探測(cè)端部法蘭的六個(gè)孔，找到最佳位置偏移量，確保為孔型切削提供最佳統(tǒng)一切削條件。

第5步：加工
在五軸加工中心完成零件的完美固定和對(duì)齊之后，我們準(zhǔn)備開始切削基準(zhǔn)圖形。最終部件的關(guān)鍵尺寸在公差范圍內(nèi)，并且表面平整度良好。與我們之前進(jìn)行的試加工相比，刀具顫動(dòng)和磨損顯著降低。

總結(jié)
精密加工通常是增材制造工藝鏈的“最后一環(huán)”。它是個(gè)高風(fēng)險(xiǎn)環(huán)節(jié)——我們一旦出錯(cuò)，昂貴的部件可能就會(huì)報(bào)廢。精密加工很有挑戰(zhàn)性，因?yàn)榻?jīng)過(guò)功能優(yōu)化的輕質(zhì)增材制造零件不可能具有很大的剛度，進(jìn)行精加工時(shí)通常需要支持性工件夾緊。它們形狀復(fù)雜，需要同樣復(fù)雜的固定裝置，而3D打印封裝夾鉗提供了一個(gè)理想的解決方案。

按照嚴(yán)格公差進(jìn)行加工，尤其是零件可能發(fā)生變形和必須滿足幾何公差時(shí)，計(jì)量工作非常關(guān)鍵。使用探測(cè)裝置可以完成復(fù)雜的對(duì)齊，在材料內(nèi)部“找到合適的零件輪廓”，確�？梢匀菁{零件變形和采用更統(tǒng)一的精加工切削條件。

來(lái)源MM《現(xiàn)代制造》