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【3D打印 技術】如何更好地組裝3D打印零件?
2019-11-29 悉恩悉機床網



  增材制造不再僅僅用于原型件制作,越來越多的技術被用于制造可投入生產的零件,這迫使工程師開始考慮聯合的設計和組裝過程。裝配雜志給我們帶來了一些專業人士的看法。

  許多打印的組件最終需要與其他零件或組件連接,而且,某些零件太大而無法在單個3D打印機上生產。無論是金屬還是塑料,都可以通過傳統的三種連接工藝來組裝打印的零件:粘合劑粘合、機械緊固和焊接。通常,大多數塑料零件是用粘合劑連接的,而許多金屬零件是用螺釘和其他類型的緊固件組裝的。

  增材制造通過將一層材料沉積在另一層材料上來“打印”數字文件中的實體對象,而不是從經過切割和模塑實體材料開始。該技術使公司可以更輕松地制造用傳統減法制造方法難以制造的復雜形狀和結構。此外,浪費也更少,從而縮短了安裝時間并降低了材料成本。塑料零件通常使用紫外線、紅外線或可見光結合激光或熱能量制成。金屬零件是使用以金屬粉末為原料的基于激光或電子束的打印機生產的,激光或電子束將粉末熔化在一起。

  增材制造的好處之一是零件整合。以前需要組裝的復雜、多組件零件可以作為單個對象進行打印,這使工程師能夠將多個零件或組件整合為一個零件,從而節省了時間和組裝成本。增材制造的長期目標是簡化或減少組裝需求。實際上,許多塑料打印零件都采用卡扣配合,從而完全不需要粘合劑或緊固件。通常,卡扣配合保持在模具制造的幾何約束之內,并利用塑料的能力進行彈性變形,然后通過卡扣成形。

  菲利普斯螺釘公司總裁邁克·莫溫斯(Mike Mowins)表示:“當前采用增材制造技術的驅動因素之一是高完成度的成品零件,它通常省去了多個組件,或優化了需加工零件或零件組的設計結構。與傳統的機加或模制零件相比,通過增材制造生產的金屬或塑料零件重量輕得多,并且幾何形狀更復雜。結果是,你會有一個單個的零件,它仍然會使用與最初設計的零件相同的緊固件,但零件但會更輕,并具有優化的結構幾何形狀。”

  隨著越來越多的制造商開始打印可用于生產的金屬和塑料零件,他們遲早需要將這些零件連接到采用傳統制造技術(例如模鑄,注塑或機械加工)制成的其他組件或零件。

  一、航空航天應用

  航空工業一直處于在生產中采用打印零件的最前沿,這些零件可用于從商用飛機座艙到噴氣發動機的各種應用。打印的零件(例如支架)通常連接到鋁或碳纖維復合材料組件。例如,空中客車公司的工程師最近將3D打印的鈦合金支架連接到了A350 XWB客機的鋁制掛架上。其它主要的航空航天制造商,例如波音,通用電氣和洛克希德·馬丁公司,也都對該技術持樂觀態度。

  波音公司衛星系統高級技術研究員理查德·阿斯頓(Richard Aston)表示:“我們已經不止于衛星和載人的航天器,并將該技術應用于導彈、直升機和飛機。隨著增材制造成為主流制造方法,通過設計為一個集成的機械系統,可以顯著提高可制造性并降低成本。但是,如果沒有足夠的理解并將整個系統作為一個整體重新設計,就不可能優化增材組件。”

  莫溫斯表示:“大多數航空航天增材制造應用涉及幾何形狀最優化的金屬零件,而傳統的加工技術是無法實現的。最終的零件仍具有與傳統機加零件相同的功能,實際上,它通常具有與原始零件相同的尺寸范圍,并且在連接界面處使用與原始零件相同的緊固件。在優化打印零件的同時,還有優化緊固件的巨大機遇。如果工程師采用最新的增材制造技術,那么也應采用最新的高性能緊固件。”

  莫溫斯指出:“這是我們看到公司Mortorq螺旋驅動凹入式緊固件和Mortorq超級外置螺栓應用最多的地方。航空工程師正在用這些重量更輕的新型零件代替傳統的緊固件,這些零件可提供更大的扭矩控制和強度。當然,大多數增材制造活動仍在研發層面,你可以通過3D打印快速生產多零件組裝的原型件,然后使用手工模型對設計和組裝工藝進行分析優化。我們與羅·羅和其它公司進行了此類練習,提供了3D打印的零件以配合其結構的重新設計,并實時進行了零件組裝的優化。”

  隨著增材制造技術的成熟,材料的性能正在大大提高。這為連接打印零件創造了新的機會。漢高公司3D打印技術客戶服務經理蓋德·麥古克(Ged McGurk)說:“在大規模定制可獲益的行業中,我們看到了更多的應用,例如體育用品或醫療設備。還有很多應用是小批量制造工作,例如航空航天和專用工業機械。”為了應對這些應用,漢高一直在為各種增材制造技術開發先進的粘合劑,例如用于熔融沉積成型(FDM)的專用長絲和用于基于熔融系統的粉末。

  麥古克表示:“就像任何需要集成到最終組裝件中的工程組件一樣,如果工程師對增材制造工藝的能力和局限性有充分的理解,那么連接打印零件就會相對簡單。不同的打印技術將生產出具有完全不同特性的成品,即使是打印相同的3D模型也是如此。最終零件的尺寸精度和穩定性,以及表面光潔度和某些機械性能的各向異性都會對最終組裝操作產生影響。在這些情況下,可能需要進行設計更改以生產針對整個制造周期進行優化的零件。”

  EWI結構完整性首席工程師威廉·莫爾(William Mohr)補充道:“連接打印零件是一個活躍的研究領域,難度可能會有所不同,具體取決于所打印的材料和你嘗試將其連接的材料。但是,對于金屬和塑料零件,最常見的材料選擇很容易焊接到相似的材料上。”莫爾認為,異種材料的連接更具挑戰性。“總的來說,用于增材制造的合金是可焊接的,即使是用于不同的連接。關注的領域可能是變形、材料性能、性能下降和腐蝕。變形是由于,直接來自增材工藝的零件通常已經具有高張力的殘余表面應力,該殘余應力會在連接過程中通過加熱而改變。由于增材材料可能具有產生自沉積的微觀結構定向效應,從而導致材料性能下降。”

  二、性能變量

  打印零件具有工程師應仔細考慮的不同屬性和性能特性,例如彈性、孔隙率和剛度。例如,通常不同材料的腐蝕風險預期更高。但是,增材制造的材料在化學上往往會發生局部細微變化,從而加劇腐蝕效果。

  麥古克表示:“與使用注射成型等傳統方法制造的相同零件相比,即使使用相同的基本聚合物或金屬,打印零件的物理和機械性能也可能有很大差異。從材料科學的角度來看,這不足為奇。例如,最古老、最常見的工程材料之一——碳素鋼,可以通過回火或退火來改變其內部結構,從而產生截然不同的性能,3D打印也是如此。”

  麥古克指出:“在這種情況下,打印工藝產生的逐層結構創造出本質上會各向異性的特性。層狀結構還會導致結構中的縫隙或空腔,從而導致孔隙出現。這種孔隙度會影響零件密封或容納流體的能力。分層結構在打印件的表面光潔度或粗糙度上也很明顯。工程師必須在打印過程中控制零件的方向,因為這最終將決定成品組裝件的承重性能。表面屬性(孔隙度或粗糙度輪廓)的變化也可能對粘合劑分配或組裝過程產生影響。”

  EWI的莫爾表示:“在許多情況下,你試圖使用增材制造來達到與鑄造、鍛造或機加零件相同的設計標準,因此將這些差異降至最低。有時,你可以利用工藝的靈活性來減少總重,同時仍然滿足設計意圖。這在減輕重量直接關系到燃料成本的航空航天應用中將是非常有益的。構型的優化將增加使用中材料的平均‘活性水平’,對于更敏感的材料,這在材料的彈性行為中可能是顯而易見的。”

  莫爾說:“打印零件中的孔隙度對組裝過程的影響與鑄造過程中的孔隙度相似,不同之處在于,打印零件的孔隙率分布往往比鑄件更均勻。對于在連接界面處需要氣密密封的情況,對均勻性的預期有助于其設計,因為孔的局部組合不太可能是幾近穿壁的。連接方法的類型必須與打印零件的設計和后處理相關聯。例如,與釬焊到一個組裝件上相比,打印零件上的套筒接頭將需要不同數量的準備工作,因為釬焊需要更光滑的表面。在許多情況下,無論在任何情況下都需要對打印零件的一面朝向基板進行準備,這為解決后續組裝過程的特殊需求提供了一個地方。”

  三、連接替代品

  粘合劑、緊固件和焊接都可用于連接金屬或塑料印刷件。莫溫斯表示:“我們仍然看到相同類型的連接技術正在使用。用于傳統模塑塑料零件的螺紋成形緊固件與打印塑料零件之間沒有太大區別。具有激進的螺紋輪廓的緊固件將提供與任何一種零件的良好連接。”

  Stratasys的首席應用工程師艾倫·克雷默(Allen Kreemer)表示:“連接技術沒有改變,任何常規的連接方法,例如粘合劑粘結或機械緊固都可以使用。例如,采用FDM技術打印的零件可以與多種類型的環氧樹脂和氰基丙烯酸酯粘合。我們還測試了有機硅、聚氨酯和紫外線固化膠粘劑。二元的環氧樹脂通常用于粘合FDM部件,使用后,在環氧樹脂固化的同時將粘合部分固定或夾緊。氰基丙烯酸酯的拉伸強度高于環氧膠粘劑,但是,它對高溫、化學藥品和溶劑的抵抗力很差。因此,與氰基丙烯酸酯的粘合可能會降低FDM零件的性能。因此,建議將其用于概念模型和形狀配合的原型,而不是功能原型或制造的零件。”

  超聲焊是另一種連接方式,特別是對于用熱塑性材料打印的零件。克雷默表示:“當需要更高的強度時,可以將超聲焊與其它方法結合使用,這種方法對于大塊頭或笨拙的組裝件特別有用。機械緊固件是另一種有效的選擇。“連接FDM零件時,可以使用大量的機械緊固方法和硬件選擇。機械連接零件的一種獨特方法是在零件的制造過程中將緊固硬件插入零件,當它從打印機中出來時,緊固件就被集成到零件中。”

來源:民機戰略觀察

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