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沒人會告訴你節(jié)省3D打印金屬成本的秘密,不看有些吃虧

據(jù)了解,目前一些公司會用增材制造直接替代傳統(tǒng)制造,但是往往會出現(xiàn)部件成本過高,無法投入商用的局面。這是因為他們沒有考慮到增材制造工藝的特殊性。使用專門為增材制造設(shè)計的零件,制造商可以在提高技術(shù)的同時降低生產(chǎn)成本以及提高效率。本篇文章中,魔猴網(wǎng)研究了優(yōu)化的增材制造零件設(shè)計對機器運行成本的影響。


在缺乏專門設(shè)計的零件的情況下,增材制造生產(chǎn)成本會十分高昂,而工業(yè)增材制造系統(tǒng)也價值不菲,并且部分生產(chǎn)速度十分緩慢。目前能夠生產(chǎn)金屬零件的增材制造系統(tǒng)的成本大約在在50萬美元到100多萬美元之間。

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如果以全年80%的運行時間計算,那么金屬3D打印系統(tǒng)每年運作的時間約為7000小時。對于高科技設(shè)備,兩年的投資回報期(ROI)是成本計算的合理平均值,這也就意味著根據(jù)設(shè)備價值不同,每小時的運行成本為每小時37美元到每小時90美元不等。

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如果取每小時65美元為中間值,那么一個需要10小時構(gòu)建的部件就會產(chǎn)生650美元的機器成本。而金屬3D打印的構(gòu)建時間通常遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止。當(dāng)構(gòu)建時間超過100小時,這個零件的單獨機器成本就會高達(dá)6500美元。



重涂時間和零件設(shè)計

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不同于大小高度,金屬3D打印零件生產(chǎn)過程中,各層的重涂時間不受零件設(shè)計的影響。重涂是指在用激光熔化前撒上一層粉末。根據(jù)機器不同,每層重涂的時間一般為4到15秒。假設(shè)一個部件的高度為100毫米,層厚度為50微米,由2,000層組成,那按每層重涂時間為8秒,則總重涂時間為16,000秒(4.5小時)。每小時平均運營成本按照65美元計算,則該次重涂總時間成本約為290美元。

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1列出了金屬3D打印的主要步驟以及通過零件設(shè)計實現(xiàn)總構(gòu)建時間的步驟??梢钥吹酵ㄟ^改善幾個設(shè)計因素可以減少構(gòu)建時間。影響時間和成本的主要因素是需要熔化的粉末量。大多數(shù)金屬3D打印系統(tǒng)的工作原理是以激光或電子光束逐層從外到內(nèi)掃描熔化粉末,即所謂外部支撐框架到內(nèi)部填充部分。該過程類似于用鉛筆在圓圈內(nèi)交叉畫線:首先畫出一個圓形,然后用交叉線條填充。這意味著,表面積越大,創(chuàng)建零件的每一層所需的時間越長。而這個問題可以通過設(shè)計來改進(jìn)。

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用于傳統(tǒng)CNC加工的液壓歧管一般由內(nèi)部鉆有許多連接孔的金屬塊組成。液壓液體可通過這些通道流到接口處,連接連接閥門和壓力傳感器。要在金屬塊內(nèi)部制造連接通道,傳統(tǒng)工藝唯一的方法是從外部鉆孔。如果使用3D打印的話,則想像把歧管整體平剖,就像是正方形中留有幾個孔(如圖1所示),逐層打印完成。


1 左:液壓歧管右:打印層示例

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那么每層的內(nèi)部填充部分需要長掃描距離。如果歧管尺寸為100 x 100 mm,填充間距設(shè)置為0.1 mm,則每個正方形需要大約100米的掃描。換句話說,光束必須行進(jìn)超過100米才能完成創(chuàng)建一層。再按光束以每秒330毫米的行進(jìn)速度計算,填充完一層的時間則需要300秒(5分鐘),產(chǎn)生5.41美元的機器成本。

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減少材料用量

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相反,如果將歧管主體與外部框架從金屬塊中剝離,則會大大減少了掃描量,加快打印時間(圖2)。設(shè)置與上文同等的間距參數(shù),歧管厚度設(shè)置為2mm,則總掃描距離約為4.5米,減少超過95%。如果光束以每秒330毫米的速度行進(jìn),填充完一層的時間為13.6秒,機器運行成本減少至0.24美元。


2 如果將打印主體從固體材料剝離出來,掃描時間減少,打印速度變快

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這部分完成后,再將未熔化的粉末填充進(jìn)內(nèi)部空腔。在不需要考慮重量的情況下,可保留未熔化的粉末;如需考慮重量,則可添加開口以便后期去除粉末。還有一種不需要考慮重量的情況,則可在部件內(nèi)部填充支撐結(jié)構(gòu)。

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在設(shè)計增材制造部件時,最大限度地減少大量固體材料是有幫助的。與注塑成型中的固定厚度相似,大量材料通常不具備太大的工程優(yōu)勢并可能導(dǎo)致部件翹曲并引起殘余應(yīng)力。此外,大量的材料會延長構(gòu)建時間。設(shè)計技巧可以減少材料應(yīng)用,例如凝殼技術(shù)還有用蜂窩晶格或多孔結(jié)構(gòu)來進(jìn)行填充。

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熱應(yīng)力消除時間也會隨著材料減少相應(yīng)縮短。如果部件沒有使用大量材料切壁厚小于一般標(biāo)準(zhǔn),則構(gòu)建過程中的殘余應(yīng)力較小,從而縮短了熱處理時間。

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構(gòu)建時間與支撐結(jié)構(gòu)

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從構(gòu)建時間的角度來看,最好能在最低構(gòu)建高度,以最少的層數(shù)和最快的時間完成一個零件制造。另外,零件的機械性能、幾何精度、表面光潔度和支撐材料也會受構(gòu)建方向影響,因此設(shè)計時也需要充分考慮這些因素。

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金屬3D打印設(shè)計的一個重要目的是減少構(gòu)建零件的支撐材料數(shù)量。支撐材料用于將零件固定到構(gòu)建平臺,并幫助支撐和保持零件懸垂特征。最重要的是,支撐材料可以幫助部件散熱,最大限度地減少熱變形。但是制造過程中,需要特別避免部件內(nèi)部的支撐材料,例如歧管通道內(nèi)部,因為這很難或無法移除。

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3顯示了歧管制造的三種形式。左:傳統(tǒng)機器加工和鉆孔設(shè)計;中:需要大量支撐結(jié)構(gòu)的凝殼設(shè)計;右:完全優(yōu)化的設(shè)計??梢钥吹絻?yōu)化的設(shè)計構(gòu)建時只需使用很少的支撐材料,相對的也更容易移除。 而表2則顯示三種不同設(shè)計所需的時間、成本和材料重量。


3 三種不同的歧管制造方式

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左:傳統(tǒng)機器加工和鉆孔設(shè)計;中:需要大量支撐結(jié)構(gòu)的凝殼設(shè)計;右:完全優(yōu)化的設(shè)計。

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歧管這個例子說明機器成本對增材制造零件生產(chǎn)的影響,是總成本中最重要的因素,但可以通過避免使用大量材料和減少填充時間來降低。前文的數(shù)字已經(jīng)證明,高厚度的支撐外殼也會產(chǎn)生實質(zhì)性的影響。


1 金屬3D打印的主要步驟及其對部件設(shè)計的影響

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2 三種不同設(shè)計的時間、價格與重量