北卡羅來納州研究人員開發(fā)提高3D打印關鍵零部件完成時間效率的方法

2024年5月18日，南極熊獲悉，北卡羅來納州立大學（NC State）研究人員展示了一項可自動對金屬3D打印機器部件進行質量控制的技術。這一技術使用戶無需將零件從打印機中取出，即可識別潛在的缺陷。

△該論文發(fā)表在《國際制造技術與管理雜志》上，題目是“具有關鍵公差的快速成型零件的基于特征的自動檢測和鑒定”（傳送門）

北卡羅來納州立大學Edward P. Fitts工業(yè)與系統(tǒng)工程系助理研究教授Brandon McConnell 表示：“3D 打印和其它增材制造技術吸引人的原因之一是，這些技術允許用戶快速更換關鍵的機器部件，否則這些部件在工廠之外很難制造出來。增材制造工具可以根據需要進行制造，而不是受制于可能需要長時間等待的供應鏈。這通常意味著使用3D打印按需制造小批量的機器零件�！�

金屬機械零件打印完成后，通常需要進行額外的精加工和測量，以確保零件符合關鍵的公差要求。目前，這一過程涉及將零件從相關制造設備中取出、測量，然后再放回制造設備中進行適度調整。McConnell解釋說：“這可能需要反復進行，耗費大量時間。我們在這項研究中的工作加速了這一過程�！�

具體來說，研究人員將3D打印、自動化加工、激光掃描和觸摸感應測量技術與相關軟件集成在一起，創(chuàng)建了一個高度自動化的系統(tǒng)，可生產滿足關鍵公差的金屬機器部件。

△圖片展示了增材和減材混合（DASH）過程的順序。在這個過程中，使用激光掃描儀來定位零件，并收集數(shù)據以確定零件本身剩余的額外材料量。利用掃描數(shù)據，創(chuàng)建一個轉換矩陣來將原始CAD模型與機器中零件的實際位置對齊。然后，使用MasterCAM插件自動生成切削路徑，這些路徑可以上傳到銑床中，用于對關鍵表面進行整體模型粗加工和最終精加工

對比傳統(tǒng)技術新技術可節(jié)省時間成本

在3D打印金屬部件（包括支撐結構）后，機器操作員將打印好的部件利用支撐結構安裝到精加工設備上。此時，激光會對安裝好的部件進行掃描，以確定其尺寸。然后，軟件程序利用這些尺寸和所需的關鍵公差來引導精加工設備，從而有效地打磨掉零件上的任何不規(guī)則部分。在這一過程中，精加工設備會控制3D打印部件的方向，以便通過觸摸式機器人探頭進行測量，確保部件的尺寸在必要的參數(shù)范圍內。

為了測試新方法的性能，研究人員使用傳統(tǒng)的3D打印和精加工技術制造了一個機器零件，然后使用他們的新工藝制造了同樣的零件。

△在圖(a)中，顯示了在CAD系統(tǒng)上定義的原始零件坐標系原點。而在圖(b)中，顯示了添加了犧牲支撐后，重新定位的零件坐標系，并突出顯示了紅色定義的主旋轉平面

McConnell說：“使用傳統(tǒng)技術，我們能夠在200分鐘內完成零件，而使用我們的新技術，我們能夠在133分鐘內完成同樣的零件。根據不同的情況，節(jié)省67分鐘是非常重要的。在大多數(shù)專業(yè)領域，時間就是金錢。例如，在應急響應環(huán)境中，這可能就是生死攸關的差異�！�

研究人員指出，這項工作的重點是打印和加工包括活塞等圓形或圓柱體的機器零件。不過，這種方法也可適用于具有其它特征的機器零件。

McConnell表示：“我們在這項技術中使用的所有硬件都可以在市場上購買到，我們在論文中也清楚地概述了必要的軟件，因此我們認為這種新方法幾乎可以立即被采用并投入使用。當然，我們也愿意與有興趣在其業(yè)務中使用這項技術的合作伙伴合作�！�

這項工作得到了美國陸軍研究辦公室的支持，撥款號為W911NF1910055。