北卡羅來(lái)納州研究人員開(kāi)發(fā)提高3D打印關(guān)鍵零部件完成時(shí)間效率的方法

2024年5月18日，南極熊獲悉，北卡羅來(lái)納州立大學(xué)（NC State）研究人員展示了一項(xiàng)可自動(dòng)對(duì)金屬3D打印機(jī)器部件進(jìn)行質(zhì)量控制的技術(shù)。這一技術(shù)使用戶無(wú)需將零件從打印機(jī)中取出，即可識(shí)別潛在的缺陷。

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

北卡羅來(lái)納州立大學(xué)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(shù)吸引人的原因之一是，這些技術(shù)允許用戶快速更換關(guān)鍵的機(jī)器部件，否則這些部件在工廠之外很難制造出來(lái)。增材制造工具可以根據(jù)需要進(jìn)行制造，而不是受制于可能需要長(zhǎng)時(shí)間等待的供應(yīng)鏈。這通常意味著使用3D打印按需制造小批量的機(jī)器零件�！�

金屬機(jī)械零件打印完成后，通常需要進(jìn)行額外的精加工和測(cè)量，以確保零件符合關(guān)鍵的公差要求。目前，這一過(guò)程涉及將零件從相關(guān)制造設(shè)備中取出、測(cè)量，然后再放回制造設(shè)備中進(jìn)行適度調(diào)整。McConnell解釋說(shuō)：“這可能需要反復(fù)進(jìn)行，耗費(fèi)大量時(shí)間。我們?cè)谶@項(xiàng)研究中的工作加速了這一過(guò)程。”

具體來(lái)說(shuō)，研究人員將3D打印、自動(dòng)化加工、激光掃描和觸摸感應(yīng)測(cè)量技術(shù)與相關(guān)軟件集成在一起，創(chuàng)建了一個(gè)高度自動(dòng)化的系統(tǒng)，可生產(chǎn)滿足關(guān)鍵公差的金屬機(jī)器部件。

△圖片展示了增材和減材混合（DASH）過(guò)程的順序。在這個(gè)過(guò)程中，使用激光掃描儀來(lái)定位零件，并收集數(shù)據(jù)以確定零件本身剩余的額外材料量。利用掃描數(shù)據(jù)，創(chuàng)建一個(gè)轉(zhuǎn)換矩陣來(lái)將原始CAD模型與機(jī)器中零件的實(shí)際位置對(duì)齊。然后，使用MasterCAM插件自動(dòng)生成切削路徑，這些路徑可以上傳到銑床中，用于對(duì)關(guān)鍵表面進(jìn)行整體模型粗加工和最終精加工

對(duì)比傳統(tǒng)技術(shù)新技術(shù)可節(jié)省時(shí)間成本

在3D打印金屬部件（包括支撐結(jié)構(gòu)）后，機(jī)器操作員將打印好的部件利用支撐結(jié)構(gòu)安裝到精加工設(shè)備上。此時(shí)，激光會(huì)對(duì)安裝好的部件進(jìn)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(guān)鍵公差來(lái)引導(dǎo)精加工設(shè)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(guò)程中，精加工設(shè)備會(huì)控制3D打印部件的方向，以便通過(guò)觸摸式機(jī)器人探頭進(jìn)行測(cè)量，確保部件的尺寸在必要的參數(shù)范圍內(nèi)。

為了測(cè)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(shù)制造了一個(gè)機(jī)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(biāo)系原點(diǎn)。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(biāo)系，并突出顯示了紅色定義的主旋轉(zhuǎn)平面

McConnell說(shuō)：“使用傳統(tǒng)技術(shù)，我們能夠在200分鐘內(nèi)完成零件，而使用我們的新技術(shù)，我們能夠在133分鐘內(nèi)完成同樣的零件。根據(jù)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(lǐng)域，時(shí)間就是金錢。例如，在應(yīng)急響應(yīng)環(huán)境中，這可能就是生死攸關(guān)的差異�！�

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

McConnell表示：“我們?cè)谶@項(xiàng)技術(shù)中使用的所有硬件都可以在市場(chǎng)上購(gòu)買到，我們?cè)谡撐闹幸睬宄�地概述了必要的軟件，因此我們認(rèn)為這種新方法幾乎可以立即被采用并投入使用。當(dāng)然，我們也愿意與有興趣在其業(yè)務(wù)中使用這項(xiàng)技術(shù)的合作伙伴合作�！�

這項(xiàng)工作得到了美國(guó)陸軍研究辦公室的支持，撥款號(hào)為W911NF1910055。