数据驱动零件生产中的增材制造工艺
当您走进位于明尼苏达州伊甸草原的 Redeye On Demand 工厂时，您就进入了未来工厂的一个版本。在那里，您将看到 100 台来自 Stratasys 的高端 Fortus 熔融沉积建模 (FDM) 机器，这些机器能够直接从 CAD 数据中使用生产级热塑性塑料构建真实的功能部件。它实现了对直接数字制造的追求，Redeye 的座右铭——“设计一个，原型十个，制造一千个”——正在实现。
欢迎来到增材制造的世界。 AM 基于固化、烧结、激光、层压、打印和焊接材料（包括塑料、纸张和金属）的技术，以生产原型、工作模型、夹具和夹具，现在越来越多地生产低产量（串行）零件体积。零件直接从 CAD 数据生成，无需机器、模具、模具或铸件。相反，零件是使用液体、粉末或片材材料分层构建的，这些材料粘合、熔化或融合并沉积在横截面层中，以从虚拟 CAD 表示中复制复杂的设计。
Fortus 3-D 生产系统构建真实的功能部件直接从 Redeye 未来工厂的 CAD 数据中获得生产级热塑性塑料。图片由 Stratasys 提供增材制造工艺的优势在于可以显着减少使用传统材料去除工艺或需要模具和冲模工具的传统铸造和模制工艺生产工件所需的时间和成本。零件设计摆脱了传统机加工的限制以及生产工具所需的成本和交货时间。
Redeye 的 Tim Thellin 概述了使用 Stratasy 进行制造的好处s FDM：
- 设计是数据驱动的，不需要工具，而且交货时间更短。
- 数字文件很容易为设计或工程变更而修改，并且多个部分可以在 Eden Prairie 工厂提供的 100 台左右机器中的任何一台上运行。 Redeye 在欧洲和澳大利亚运营着另外 23 个 Fortus 系统，提供制造能力。
- 设计基于零件的功能或美学需求，而不是传统材料去除或成型工艺的制造限制。
“公司现在看到了直接数字制造在定制制造、更换零件和小批量生产方面的优势，”Thellin 说。随着技术的不断发展，它越来越多地为传统制造实践（例如注塑成型）提供竞争。凭借其 100 个系统的网络，RedEye 可以在两周内构建多达 5000 个零件，具体取决于零件的大小并随时切换h 从一次性生产要求到通过更改数据文件进行小批量生产。
Stratasys 的 DDM 咨询服务小组就如何采用直接数字制造来生产工具、夹具和固定装置向制造商提供建议传统工具的时间和成本的一小部分。在一个案例中，ABS 塑料手持工具取代了汽车装配线上的铝制工具，减少了操作员的重复性压力伤害。
控制熔池的大小，在激光工程网络成形中为 2-4 毫米直径(LENS) 工艺对于保持不同尺寸特征的冷却速度至关重要。FDM 使用生产级热塑性塑料，包括 ABS、聚碳酸酯、聚苯砜和 Ultem——这些材料因其精度、耐用性而通常用于注塑成型零件, 和稳定性。运行中离子，将热塑性长丝送入头部，在那里熔化成半液态，然后从喷嘴中挤出。挤压头沿 X 轴和 Y 轴移动，遵循由 CAD 文件定义的刀具路径。零件被构建，一次一层，然后工作台向下移动到位，因此挤压头可以构建下一层。
与其他服务机构不同，RedEye 的大容量和 FDM 热塑性塑料输出针对传统上由快速工具主导的应用程序。行业包括航空航天、汽车、消费品、电子、政府/军事和医疗设备。
除了 FDM，增材制造技术还包括 SLS（选择性激光烧结）、SLA（立体光刻）、LOM（层压物体）制造、EBM（电子束熔化）和 3-D 打印。包括 SLM（选择性激光熔化）、直接金属激光烧结 (DMLS) 和激光工程净成形 (LENS) 在内的几种增材制造工艺继续扩大金属的使用范围为了修复高价值工件，并越来越多地用于定制零件生产，特别是医疗和牙科设备应用、航空航天和珠宝等消费品。
应用于金属的激光沉积技术在修复高价值工件方面取得了相当大的成功- 有价值的组件，特别是在需要稀有金属的地方。 Optomec Inc.（新墨西哥州阿尔伯克基）的激光工程净成形 (LENS) 技术由 Sandia 开发，自 2000 年以来一直用于修复 Anniston Army Depot 的坦克发动机零件，以及高价值工件，如燃气轮机部件和整体带叶片的转子（IBR 或整体叶盘）。
LENS 产品经理 Richard Grylls 解释了为什么维修是金属增材制造的良好开端：“使用激光和粉末的工艺相对简单。在修理东西时，你是在它已经消失的地方添加材料，结果工作的资格就简单多了。为了修复叶盘，需要一个高质量的过程来修复整个叶盘。这意味着能够在带有狭窄沉积头的整体叶盘叶片之间进行修复，能够修复前缘、后缘和尖端，并填充轮毂上的特征。”
Optomec 在 LENS 上的成功在过去六年的开发工作中，政府认可了其成本效益，并从美国海军获得了新的 II 期 SBIR（小型企业创新研究）合同，继续开发新的飞机叶盘修复能力.第二阶段合同使资金总额达到 900,000 美元。 Optomec 的第一阶段和第二阶段资金提案得到了普惠公司的支持。
在当前项目中，LENS 工艺将用于修复难以焊接的镍基高温合金整体叶盘，通常会遭受焊接时大范围开裂。 LENS 工艺已经消除这些问题。 “我们正在实施升级的控制系统，该系统能够生产改进的微观结构，使 LENS 工艺能够对许多高强度高温合金进行具有出色性能的修复，并扩展 LENS 修复钛 IBR 的能力。这种新功能将在 IBR 修复之外找到其他应用，包括航空航天和工业燃气轮机应用中的其他翼型修复，”Grylls 说。
LENS 技术能够处理钛合金、镍基合金、不锈钢和钴合金，能够直接从 3-D CAD 实体模型生产完全致密的结构。 LENS 系统使用来自高功率光纤激光器的能量直接从粉末金属中一次构建一层结构。据称，由此产生的组件具有可与锻造材料相当甚至优于锻造材料的机械性能，并且 LENS 系统可在整个产品生命周期中使用e 适用于从功能原型设计到快速制造和维修的各种应用。
LENS 工艺位于一个用氩气吹扫的机舱内，将氧气水平保持在 10 ppm 以下，因此不会吸收杂质. “必须控制直径为 2-4 毫米的熔池尺寸，以保持不同尺寸特征的冷却速率。摄像头向下观察熔池的光轴，计算熔池的大小，并将其与设定值进行比较，自动降低激光功率以确保恒定的冷却温度，”Grylls 解释道。熔池传感器在修复具有较大、较厚或较薄区域的组件时优化熔池尺寸，以优化构建形状和质量的沉积。零件可能经过热处理、热等静压 (HIP)、机加工或以任何其他方式完成。
SLM50 台式机非常适合珠宝和牙科行业的黄金应用。对于 EOS of North America Inc.（诺维，密歇根州） )，激光烧结是扩大电子制造在航空航天、医疗/牙科设备和工具行业等领域的基础。EOS 激光烧结工艺适用于聚合物和金属，提供基于工具的制造方法所需要的零件不适用于满足对产品生命周期较短且产量较低的定制产品日益增长的需求。
EOS 生成层制造技术可以采用任何 3-D 几何形状，无需工具或铣削工具即可构建它路径，使用 3-D CAD 数据。所需的几何形状是使用固化粉末基塑料或金属的激光逐层构建的。从这个意义上说，激光烧结是一种生成的、灵活的生产方法，特别适合对于不再需要生产的行业大量相同的零件。
EOS 直接金属激光烧结 (DMLS) 工艺为工具和模具制造行业提供了传统机加工工艺的替代方案。 DMLS 应用范围从原型到系列产品和最终部件。最复杂几何形状的金属零件是直接从 3-D CAD 数据中自动逐层构建的，无需任何工具即可在数小时内完成。零件表现出优异的机械性能、高细节分辨率和良好的表面质量。该过程将粉末完全熔化，形成精细、均匀的结构，从而形成空腔和底切，而传统方法很难生产这些。
使用 EOS DMLS 激光烧结（左）和抛光（右）的涡轮叶片微加工工艺（MMP）。 EOS 与 MMP 开发商 BESTinCLASS 成立合资企业, 将生产解决方案推向市场。 MicroTek Finishing 是北美唯一的微加工工艺供应商。EOS 提供各种材料用于其 EOSINT P 激光烧结系统。塑料材料基于 PA 12 或聚苯乙烯。聚酰胺可耐受大多数化学品，材料本身对环境或健康无害。有多种材料可满足不同应用的特殊要求。这些材料可以通过填充物来区分，例如铝、玻璃或碳纤维。
EOS 的 DMLS 金属从青铜基合金到工具钢和不锈钢不等。 EOS 已经开发出以钛和超级合金为基础的轻金属，例如钴铬合金，用于 EOSINT M 系统。这种合金在医疗器械行业和航空航天领域的应用特别令人感兴趣。
对于医疗器械，激光烧结技术是 used 用于定制的假肢或植入物。例如，对于牙冠，激光烧结可以一次生产数百个单独的牙冠。借助 EOS 的电子制造，牙科实验室可以直接根据 CAD 数据生产牙桥和内冠，而无需熔模铸造。
“开发用于激光烧结的新材料将我们的技术推向了一个新的水平，”Hans Langer 说， EOS 的首席执行官和创始人。在 EuroMold，EOS 推出了一种新的 NickelAlloy IN718，这是一种用于高温航空航天应用的镍基耐热超级合金。与 Inconel 718 合金相对应，NickelAlloy IN718 具有良好的耐腐蚀性和低温性能，非常适合航空航天应用。
“为了满足客户先前向 EOS 表达的制造挑战和应用要求，我们开发了更新的非常适合制造要求的材料，”Langer 解释说。
选择性激光熔化ReaLAprilizer GmbH（德国博兴）的 (SLM) 技术正继续从研发实验室转移到生产应用中，以生产适用于材料体积和批量较小或需要复杂晶格和蜂窝结构的应用的零件。典型应用包括牙科修复体、铝、钛或钢的功能原型、用于注塑成型或其他工具的工具插件，以及假体和植入物，如钛制关节或骨假体，并根据 CT 或其他扫描数据单独安装。
ReaLizer SLM 是一种生成式生产方法，它将金属涂在细粉薄层中，并使用激光熔化到工件将要显影的区域。根据表面质量和生产速度要求，粉末自动喷涂，层厚为 20–100 µm。在下一步中，光纤激光器有选择地熔化指定区域。锐利的焦点ing 提供高功率密度的激光束，允许生产壁厚从 40 µm 起的工件。当特定层的熔化过程完成后，平台将降低相应的厚度，并涂上另一层粉末。分层结构有助于生产高度复杂的晶格或蜂窝结构，并通过优化材料使用最大限度地减轻重量。
汽车、摩托车和航空航天应用的功能原型可以由铝、钛或钢制成在近批量生产中，无需事先生产工具。对于髋关节和膝关节植入物，可以生产具有复杂晶格结构的生产件，骨骼可以在其中生长以实现持久和长期融合。
ReaLizer SLM-100 专为生产较小的组件而设计，通常使用铣削中心和牙科实验室生产。该机器具有 100 毫米高的圆柱形结构直径为 125 mm 的离子区。底部区域允许使用光学器件将激光束的直径聚焦到 20µm，使机器能够生产结构精细、最小壁厚低至 60µm 和高表面质量的部件。
ReaLizer 系列的最新成员是台式 SLM 50 机器，用于制造直径达 70 毫米、高度达 40 毫米的金属部件。 SLM 50 体积小，非常适合牙科和珠宝行业的黄金应用。也可以处理所有其他材料。典型的牙科应用包括精确装配的牙科零件，例如，由钴铬、钛或金制成的框架、帽或支架。
