¿Cómo lograr un ensamblaje de alta-precisión después de la impresión 3D en metal?

1. Optimización del diseño: detenga los errores de ensamblaje antes de que ocurran.
Compensación dinámica y distribución de tolerancia.
Según las características del proceso de impresión (por ejemplo, precisión SLM ± 0,05 mm y EBM ± 0,1 mm), deje espacio para tolerancias de ensamblaje en la etapa del modelo 3D. Por ejemplo, la superficie donde se unen las palas de la turbina y el disco de un motor de avión debe mantenerse dentro de una tolerancia de ± 0,02 mm. La función de "expansión horizontal" se puede utilizar para compensar la contracción del material durante la impresión (por ejemplo, la tasa de contracción de una aleación de titanio es aproximadamente del 0,8%). El software de simulación VoxelDance Engineering ayudó a Guangzhou Ruitong Additive Manufacturing Company a mejorar la compensación de la deformación de los implantes dentales. Esto redujo la deformación del anillo de posicionamiento de 0,3 mm a 0,1 mm, lo que solucionó el problema de la precisión del ensamblaje.
Interfaces estandarizadas y diseño modular
Utilizar métodos de conexión convencionales, como conexiones de interfaz USB y estructuras de mortaja y espiga estilo Lego-para facilitar el montaje. Por ejemplo, el modelo de carreras OpenRC F1 tiene interfaces estandarizadas que facilitan a los usuarios cambiar piezas como neumáticos y aletas traseras. Para construcciones complicadas, se pueden dividir en partes más pequeñas y separadas (como juntas, eslabones y carcasas de brazos robóticos) que se pueden imprimir y ensamblar de forma independiente. Esto hace que sea más fácil de arreglar y actualizar más adelante.
Admite optimización y empalme de impresión boca abajo-
Utilice la superficie que necesita ser empalmada como base de impresión y utilice la planitud de la primera capa para que el empalme sea más preciso. Por ejemplo, al imprimir dos modelos semi-circulares, colocarlos boca abajo puede hacer que las costuras se vean menos afectadas por las capas. Reducir el área de contacto con una rejilla o un soporte cónico facilita su extracción posterior. Por ejemplo, los artículos hechos de acero inoxidable 316L utilizan una técnica de escaneo de tablero de ajedrez y un escaneo de compensación de contorno para hacer que la superficie sea menos rugosa, yendo de Ra12 μm a Ra3,2 μm.
2. Control de procesos: gestión precisa de la configuración de impresión
Optimización de la densidad energética
Puede regular la forma del baño fundido cambiando la potencia del láser, la velocidad de escaneo y el espesor de la capa. Esto puede ayudar a prevenir problemas como la esferoidización y la fusión incompleta. Por ejemplo, la densidad energética de la aleación de titanio Ti6Al4V debe mantenerse entre 60 y 120 J/mm³. Si la potencia es demasiado baja o la velocidad es demasiado rápida, es posible que la fuerza de unión entre capas no sea lo suficientemente fuerte. Si la densidad de energía es demasiado alta, se puede producir agrietamiento por tensión térmica.
Mantener el aire limpio y la temperatura adecuada
Para evitar que el metal se oxide, en cada paso se añade argón o nitrógeno de alta pureza (con un nivel de oxígeno inferior al 0,1 %). Por ejemplo, precalentar el sustrato a 150-200 grados antes de imprimir la aleación de aluminio AlSi10Mg ayuda a reducir el estrés térmico y detener la deformación. Además, el uso de tecnología de escaneo colaborativo multi-haz puede distribuir la entrada de calor de manera uniforme y reducir la tensión residual.
Monitoreo en línea y retroalimentación en un circuito cerrado
Usó termómetros infrarrojos, cámaras de piscina derretida y otros sensores para controlar el campo de temperatura y la forma de la piscina derretida en tiempo real mientras imprime. Por ejemplo, una empresa utiliza algoritmos de inteligencia artificial para observar los cambios en el ancho del baño de fusión, variar automáticamente la potencia del láser y reducir la porosidad del 0,5% a menos del 0,1%, lo que aumenta considerablemente la densidad del material.
3. Tecnología de pos-procesamiento: mejorar la superficie y mantener su forma.
El tratamiento térmico elimina la tensión dentro del material.
El recocido, como calentar una aleación de titanio en argón a 800 grados durante dos horas, puede eliminar la tensión residual que se acumula durante la impresión y detener la distorsión durante el ensamblaje. El enfriamiento y el revenido se pueden utilizar para hacer que las piezas de alta-resistencia sean cada vez más duras. Un ejemplo son las piezas de aleación de alta temperatura-a base de níquel-que han sido tratadas con prensado isostático en caliente (HIP). Su densidad es casi del 100% y su resistencia a la fatiga ha aumentado en más del 30%.
Mecanizado de precisión y tratamiento de superficies realizado por máquinas.
Mecanizado CNC: para superficies funcionales como superficies de contacto de rodamientos, deje un espacio de 0,1 a 0,3 mm. Utilice una máquina herramienta CNC con varillaje de cinco-ejes para lograr requisitos precisos de planitud de 0,02 mm y rugosidad Ra3,2.
El pulido electrolítico es un proceso que utiliza principios electroquímicos para eliminar pequeñas protuberancias en la superficie de las piezas de aleación de aluminio. Esto reduce la rugosidad de la superficie de Ra6 μ m a Ra0,2 μ m y crea una capa de pasivación que hace que las piezas sean más resistentes a la corrosión.
Usando Al ₂ O3 o perlas de vidrio para golpear la superficie a alta velocidad, el tratamiento con chorro de arena elimina los restos de polvo y hace que la superficie luzca más consistente. Por ejemplo, una empresa en particular utilizó chorro de arena para ajustar la rugosidad de la superficie de implantes de aleación de titanio impresos en 3D-a Ra1,6 μm, lo que ayudó a que las células óseas se adhirieran a ellos.
Compensación de deformación impulsada por simulación.
Puede utilizar software como VoxelDance Engineering para simular todo el proceso de impresión, adivinar cómo cambiarán las cosas y crear modelos para compensar. Una empresa específica, por ejemplo, redujo la deformación de las piezas después del ajuste de simulación de 0,5 mm a 0,05 mm para boquillas de combustible de motores de aviación e hizo que el espacio libre de ensamblaje fuera más uniforme en un 80 %.
4. Planifique la organización de las cosas: asegúrese de que todo esté correcto de forma regular
Una plataforma para montar cosas muy rígida
Utilizando una base de alta-rigidez, un sistema de guía y transmisión preciso y un diseño integrado para disminuir el efecto de la deformación del equipo en la coaxialidad del ensamblaje. Por ejemplo, en la línea de montaje de motores de robots humanoides, se emplea un diseño de adaptación ambiental (como mantener la temperatura constante) para reducir la cantidad de errores del sistema.
Conjunto para posicionamiento visual y control de fuerza.
Añade un sistema de visión de alta-precisión para encontrar la posición y dirección de piezas importantes como el estator y el rotor, y compensar cualquier error cometido durante el montaje. Al mismo tiempo, en el extremo se colocan sensores integrados de control de fuerza para controlar los cambios de fuerza y ​​par en tiempo real en varias direcciones, lo que hace posible una "inserción flexible". Por ejemplo, una empresa emplea tecnología de control de fuerza para evitar que el conjunto del motor y la fuerza de presión cambien en más de ± 5 N, lo que evita que los cojinetes se rompan.
Retroalimentación en circuito cerrado y capacidad de rastrear datos.
Recopilar datos sobre presión, desplazamiento, torque y otros factores en tiempo real durante el proceso de ensamblaje y compararlos con la ventana de proceso predeterminada. El sistema activará automáticamente una alarma o tomará medidas si algo sale mal. Por ejemplo, una empresa elabora registros separados del proceso de ensamblaje para cada motor de robot humanoide, proporciona control estadístico del proceso (SPC) y trazabilidad de la calidad, y logra que la consistencia de los lotes sea superior al 99,9%.
5. Casos de la industria y tendencias a esperar
campo aeroespacial
GE Aviation emplea tecnología SLM para imprimir boquillas de combustible para motores LEAP. Este combina 20 piezas en una, lo que lo hace un 25% más liviano y dura 5 veces más. Gracias al control combinado de optimización de parámetros de impresión y mecanizado de precisión CNC, su precisión de ensamblaje es de ± 0,01 mm.
Campo de implantes médicos.
Johnson&Johnson DePuy Synthes utiliza copas acetabulares de aleación de titanio impresas en 3D para mantener la superficie lisa por debajo de Ra0,8 μm mediante pulido electrolítico. Esto, junto con un diseño estructural poroso, acelera el desarrollo óseo en un 40%.