¿Cómo combinar la impresión 3D de metal y el mecanizado CNC de la forma más razonable?

一, Complementariedad tecnológica: un cambio lógico de "oposición" a "simbiosis"
La impresión 3D de metal (usando la tecnología SLM/DMLS como ejemplo) utiliza un láser para fundir polvo de metal capa por capa, lo que permite construir estructuras interiores complicadas de una sola vez. Sus principales beneficios son:
Avance en grados de libertad estructurales: capaz de crear estructuras reticulares, canales de enfriamiento conformes, superficies irregulares y otras cosas que las máquinas CNC típicas no pueden. Por ejemplo, un determinado cuerpo de válvula hidráulica obtiene circuitos de aceite escalonados mediante impresión 3D, lo que hace que el canal de flujo sea un 300% más complicado. El mecanizado CNC necesita muchas abrazaderas y es difícil asegurarse de que selle.
La fabricación aditiva no desperdicia material y la tasa de utilización del material puede ser superior al 90%, que es mucho mayor que la tasa del 50% al 70% del mecanizado CNC.
La capacidad de iterar rápidamente: después de cambiar el modelo digital, se puede imprimir de inmediato sin tener que remodelarlo. Esto ha reducido el tiempo que lleva desarrollar nuevos productos de meses a días.
Pero la precisión inicial (± 0,04 mm) y la rugosidad de la superficie (Ra12,5 μ m) de la impresión 3D dificultan satisfacer las necesidades del ensamblaje de alta-precisión. Es aquí cuando el mecanizado CNC cobra mucha importancia:
Corrección de tamaño: para compensar la deformación por contracción durante la impresión, debe fresar la superficie de la guía de la máquina herramienta con una precisión de ± 0,02 mm.
Acabado de superficies: el fresado de precisión aumenta la rugosidad de la superficie de Ra12,5 μ m en el estado as-fundido a Ra1,6 μ m, y el pulido espejo puede incluso elevarla a Ra0,2 μ m.
Mecanizado de características clave: el CNC es excelente para realizar todo tipo de mecanizado local, como hacer caras de extremo con alta precisión y orificios roscados con alta precisión.
2. Un caso de uso común es cuando se necesita cumplir con requisitos de precisión y de estructura complicada.
1. En el negocio aeroespacial, es necesario encontrar un equilibrio entre ser liviano y poder transportar mucho peso.
Una empresa aeroespacial utiliza el método "impresión 3D+CNC" para fabricar cámaras de combustión de motores:
Proceso de impresión 3D: impresión de formas complicadas con canales de enfriamiento conformes a partir de Inconel 718, una aleación de alta temperatura-a base de níquel-. Esto hace que las estructuras sean un 35% más ligeras y capaces de soportar temperaturas de hasta 1200 grados.
Proceso CNC: mecanizado ultra-preciso de la superficie de sellado hasta una planitud de 0,01 mm para garantizar que funcione bien en situaciones de alta-presión.
Verificación del efecto: el ciclo de producción es un 60% más corto que con los métodos estándar de fundición y soldadura, y la vida de fatiga es el doble.
2. Implantes médicos: una mezcla de personalización y biocompatibilidad
Cómo se fabrican los implantes ortopédicos de aleación de titanio:
Impresión 3D: utilizando datos de TC del paciente, imprima un vástago femoral poroso con una porosidad del 60 % al 80 % y un tamaño de poro de 200 a 500 μm. Esto imitará la forma de las trabéculas óseas naturales.
Mecanizado CNC: fresado preciso de la superficie de contacto cónica que toca la cavidad de la médula ósea para garantizar que cumpla con el nivel de tolerancia H7 y logre una fijación biológica.
Tratamiento de la superficie: el arenado y el anodizado hacen que la superficie sea más rugosa, lo que ayuda a que las células óseas se adhieran a ella.
3. Moldes industriales: buen equilibrio entre canales de flujo complicados y buena refrigeración
Cierta empresa de moldes utiliza una solución de fabricación mixta:
La impresión 3D crea un núcleo de molde con tres capas de canales de enfriamiento internos a la vez. Esto hace que la refrigeración sea un 30 % más eficaz y soluciona el problema de las fugas que se producen con el empalme de bloques estándar.
Mecanizado CNC: pula la superficie de separación a Ra0,4 μm para facilitar la extracción de las piezas de plástico.
Comparación de costos: el costo por pieza se ha reducido en un 42% y no hay necesidad de preocuparse por los desechos del molde debido a la distorsión de la soldadura.
3. Ruta de integración de procesos: mejorar todo el proceso, desde el diseño hasta el pos-procesamiento
1. Fase de diseño: Optimizar la topología en función de los límites del proceso de fabricación.
DFAM (Diseño para fabricación aditiva): utiliza un método de generación de estructura reticular para reducir el peso a la mitad manteniendo la resistencia.
Margen de mecanizado reservado: reserve entre 0,3 y 0,5 mm para elementos que necesitan acabado CNC, como superficies de ensamblaje y ubicación de orificios. Esto evitará que los patrones de capas de impresión influyan en la precisión.
Optimización de la estructura de soporte: utilice el análisis de simulación para reducir la cantidad de soporte y al mismo tiempo asegurarse de que las herramientas CNC sigan siendo de fácil acceso. Por ejemplo, el soporte de un determinado soporte de aviación se coloca en la superficie no-mecanizada, lo que reduce el tiempo de mecanizado CNC en un 30 %.
2. Etapa de impresión: trabajar juntos para regular la configuración y realizar el pos-procesamiento
Choose spherical powder (flowability>30s/50g) para que el polvo se distribuya más uniformemente y reduzca la porosidad a menos del 0,5%.
La técnica de tratamiento térmico incluye recocido para aliviar la tensión a 650 grados durante 2 horas y prensado isostático en caliente (HIP) para elevar la densidad por encima del 99,9%.
Control de dirección: utilice el software Magics para encontrar el mejor ángulo para colocar elementos y reducir la cantidad de soporte necesario para las construcciones colgantes.
3. La etapa de mecanizado CNC: enlace de cinco-ejes y compensación inteligente
Centro de mecanizado de cinco-ejes: el sistema Siemens 840D se utiliza para sujetar y mecanizar superficies complejas de una sola vez, lo que evita errores en el posicionamiento.
Tecnología de gemelos digitales: utilizar la simulación Vericut para predecir cómo cambiará el mecanizado y realizar ajustes al modelo con antelación. Por ejemplo, la simulación mejoró la precisión del contorno de un álabe de turbina determinado de ± 0,05 mm a ± 0,02 mm.
Inspección de máquinas: uso de sondas Renishaw para controlar las dimensiones de mecanizado en tiempo real y corregir errores que se producen debido al desgaste de las herramientas.
4. Etapa de tratamiento superficial: combinando funcionalización y ornamentación.
Tratamiento con chorro de arena: utilice perlas de vidrio de malla 120 para lograr una rugosidad de la superficie de Ra3,2 μm para ayudar a que el recubrimiento se adhiera mejor.
Oxidación por microarco: realice un revestimiento cerámico de 10 μm de espesor sobre la superficie de la aleación de titanio. La película tiene una dureza de 1000HV y cinco veces más resistente al desgaste.
Revestimiento PVD: La aplicación de un revestimiento de TiN endurece la superficie (2200HV) y le da un aspecto dorado.