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日本三菱:高精度點陣成型3D打印新技術

發布日期: 2018/11/16 訪問次數:1225 分享到:

  2018年10月底,南極熊從外媒獲悉,三菱電機宣布開發出獨特的點陣成型增材制造技術,通過在3D打印機中結合激光,計算機數控(CNC)和計算機輔助制造CAM技術,實現高精度成型。

該技術采用激光定向能量沉積(DED)方法,這是一種增材制造工藝,其中聚焦的熱能在材料沉積時熔化它們。

  DED工藝類似于材料擠出的過程,但是在DED 3D打印方法中,
供應材料顆粒或線材的噴嘴安裝在多軸臂上。它可以在多個方向上移動,而不是固定到特定軸,并且可以從任何角度將進給供應到目標表面上。然后,該模型逐層地從底部到頂部構建在表面上。通過控制進給速率和金屬線或顆粒沉積在表面上的角度來控制3D模型的形狀。
  DED專門用于打印金屬和合金的3D模型,并且常用于修復和維護結構部件。該技術可高速的生成高質量的3D零件。三菱電機認為,其新技術將在各種應用中提高生產率,例如飛機和汽車零件的近凈成型和堆積修復,以及空心和懸垂形狀。該技術還可以與使用其他制造方法生產的部件串聯使用。
新技術使用普通且相對便宜的激光焊絲。新技術提供的另一個好處是顯著提高了精度,因為與連續成型技術相比,形狀精度提高了60%。與傳統技術相比,傳統技術的問題氧化可以減少20%以上,因為高溫區域限于窄點形成區域。
  三菱電機預計在截至2021年3月的財政年度內推出商業版點陣成型技術。
  三菱電機將在第29屆日本國際機床展覽會(JIMTOF2018)上展示新技術,這是一項為期6天的活動,將于11月1日至2018年11月6日在東京國際展覽中心舉行。

2016年6月,南極熊在東京參加日本工業展期間看到日本三菱公司的展位,據南極熊了解,三菱電機研究實驗室(MERL)正在使用5軸增材制造技術——也就是一些人所謂的5D打印——來制造強度要比常規3D打印強3至5倍的部件。

 

  從戰斗機到液晶電視,日本跨國企業三菱幾乎涉足了電子和電氣設備的幾乎每個領域。該公司在世界各地運營,但是有一些最重要的研究活動實際上是在美國發生的。比如MERL就是該公司設在美國的一個重要的研究機構。

  作為一家業務多元化的公司,三菱當然也涉足了3D打印技術:兩年前,該公司重工業部門宣布,它將考慮用增材制造技術打造火箭部件。不過現在,MERL的正在致力于完善一種特別的3D打印方法,如果成功,將能夠幫助該公司制造出適合關鍵應用的更強部件。

  這種特別的方法就是所謂的五軸增材制造,它在3D打印頭運動的X/Y/Z 3個軸之外又增加了兩個軸來控制打印床的運動,也就是打印床可以來回傾斜,從而把總軸數增加到了5個。另外,這些5軸3D打印機運行方式也與我們常見的3D打印機不同,不再整齊地將一層層材料平整地堆疊起來。

  MERL高級首席研究科學家William Yerazunis最近做了一個實驗來展示5軸增材制造的好處在哪里。這位三菱的專家首先使用標準的3D打印機(只有三個軸)打印出了一個小型塑料壓力蓋。由于其均勻的分層結構,這個3D打印的蓋子明顯弱于注塑制品。這個蓋子的所有層都是平的,壓力很容易沿著薄弱的層間結合處將蓋子扯開。”Yerazunis 解釋說。

  然而,Yerazunis仍然使用同樣的3D打印機和材料就有效地提高了3D打印部件的強度。其中的秘密在于采用五軸增材制造的改變了每層的沉積方法。為了證明這一點,Yerazunis和他的研究團隊接著使用他們的“5D打印”方法使用相同的CAD模型,制造了相同的壓力蓋,卻獲得了更強的結構。“如果我們考慮到來自內部的力量,并將沉積的每層材料從平面改成沿著壓力蓋最大應力線的曲面,我們就可以將它強度提高到3到5倍,而且使用的材料也減少了25%。”Yerazunis說。

  不出所料,5D打印的壓力蓋要比3D打印同樣形狀的壓力蓋要好的多:3D打印壓力蓋能夠抵抗大約0.1MPa的壓力,而5軸增材制造的壓力蓋則能夠承受3.7MPa的壓力。這就大幅增加了強度,同時減少了材料的使用。

  “不過5D打印確實需要進行大量的分析,而且它需要知道打印部件的用途。”Yerazunis說。“但當你可以用它將一個部件的強度增加五倍的話,為此做出一些改變還是值得的。”

三菱重工機床公司在第28屆日本國際機床展(11月17~22日于東京有明國際會展中心舉行)上,展出了該公司參加新一代3D積層造型技術綜合開發機構(TRAFAM)后,作為國家項目的一環開發的金屬3D打印機的一次試制機。此次主要展示的是截至2015年度的開發成果,同時也介紹了目前正在研發的課題。硬件已基本完成,目前重點正在轉向旨在實現最佳造型的軟件開發。

 

    三菱重工機床攜金屬3D打印機亮相日本機床展

  三菱重工機床開發的是激光金屬沉積(LMD)方式的3D打印機,是在吹附金屬粉的同時用激光束使金屬粉熔融然后凝固。該3D打印機可利用5軸控制進行積層造型,并在這一過程中通過5軸切削加工進行精加工。造型速度方面,每小時積層體積最大可達到360mL。可使用多種材料,還對銅與Inconel718、銅與馬氏體時效鋼、Inconel718與馬氏體時效鋼等各種材料搭配的多層積層進行了實驗。

2016年日本工業展三菱的展位

  在2016年6月22日南極熊全程直播報道了2016日本工業展(3D打印展)。其中就有三菱重工的展位,就是在展會上南極熊了解到三菱重工正在研發五軸3d打印機。作為一家業務多元化的公司,三菱當然也涉足了3D打印技術:兩年前,該公司重工業部門宣布,它將考慮用增材制造技術打造火箭部件。不過現在,MERL的正在致力于完善一種特別的3D打印方法,如果成功,將能夠幫助該公司制造出適合關鍵應用的更強部件。這種方法應該就是指——五軸金屬3d打印技術。

 

  模仿渦輪等部件的造型樣品是在圓柱狀不銹鋼(SUS304)的外側用Inconel718形成了葉片。展示了兩種葉片形狀的樣品,一種是從葉片根部到前端呈錐狀變細,另一種是將同一截面呈柱狀堆積。前者為使層厚保持固定,必須要逐層改變路徑的設定,難度較大。目前三菱重工機床正在對相關路徑設定方法等積累經驗,并將這些經驗導入到軟件中。


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