案例 l 3D列印與機加工結合成就複雜液壓零件

3D列印的一大優勢在於加工一些過於複雜的結構，而這些複雜正是產品實現更高附加值之所在。而傳統工藝的經濟性以及效率和表面精度往往是目前3D列印所難以企及的。於是不少聰明的3D列印技術踐行者開始了3D列印與機加工等加工工藝的結合之路。

賓夕法尼亞大學的Timothy Simpson教授曾在TED演講中展示過一個通過3D列印與機加工結合加工出來的複雜精密零件，這個零件是賓夕法尼亞大學的CIMP 3D列印中心、Imperial機床工具公司以及一家工業合作夥伴共同完成的。本期，3D科學谷與谷友一起來了解這個零件背後的故事。

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3D列印潛力

混合製造過程中的第一步是設計，設計師需要考慮兩種製造工藝的不同要求，並在設計過程中體現出來。例如對於選擇性激光熔化金屬3D列印工藝來說，設計師需要盡量避免大於45度的懸伸，便於支持列印；而為了滿足數控加工的要求，還需要留有切削餘量，並且考慮夾具問題。

在該零件的CAD設計文件橫截面中我們看到，額外的材料被添加到外徑上以為機加工提供切削餘量，不僅在外徑上，在頂部和底部的表面以及內部流體埠面上都添加了切削餘量，以方便後期的機加工。

這個帶複雜內腔結構的零件是用Inconel 718合金製造而成的，在設計完成後，金屬3D列印系統開始了工作，按照設計的模型將零件一層一層製造出來。

選擇性激光熔化工藝在加工過程中產生大量的熱量，因此產生了零件內部殘留的應力。 在零件製造完成後，零件被送去熱處理，通過熱處理以減輕內部應力並微調材料性能。

圖片：經過熱處理後的零件表面光潔度，注意金屬的顏色; 是熱處理過程的結果。

多軸CNC加工中心為精加工關鍵特性提供了高度的精度，這個特殊零件需要精確的外徑，以確保跟其他零件能成功安裝在一起， 為了正常運轉，表面光潔度也是另外一個重要的關鍵質量要求。

此外，圓柱體的頂面和底面存在臨界平面度和平行度的精度要求，這都需要通過機加工來實現。 最後，流體埠必須承受10,000psi的壓力，這需要進行精密的螺紋磨削操作。

質量控制和認證一直是先進位造業的重要組成部分。 在機加工的質量檢測環節中，我們通常依靠傳統的測量設備來確保滿足嚴格的公差要求，但是通過增材製造產生的內部結構則需要專門的技術來檢查。 為了確保內部結構的正確性，賓夕法尼亞大學和Imperial機床工具公司通過計算機斷層掃描系統和其他先進的設備來完成零件內部的檢測。

圖片：列印組件的內部CT掃描結果，顯示內部格子結構和類似螺旋的內部通道。 照片由CIMP-3D提供，系統採用GE v|tome|x micro CT掃描系統。

最後獲得的零件比原來的設計減輕重量超過40％，同時提高了流體流動性能。

圖片：最終完成的零件 - 結合設計的自由度和精度。 依靠金屬3D列印和精密加工是實現這一目標的唯一途徑。

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