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增材制造精度

/building accuracy in additive manufacturing/
条目作者张璧

张璧

最后更新 2022-12-23
浏览 130
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增材制造成形件的实际几何参数(尺寸、形状和位置)相对于理想几何参数的符合程度。

英文名称
building accuracy in additive manufacturing
所属学科
机械工程

与传统机械制造类似,增材制造精度主要包括尺寸精度、形状精度、位置精度。尺寸精度指成形件本身或表面之间的实际尺寸与理想尺寸间的符合程度;形状精度指成形表面的实际形状与理想表面形状之间的符合程度;位置精度指各表面本身的实际位置与各表面之间理想位置的符合程度。增材制造历经材料加热、熔化、流动和凝固等复杂过程的反复交替,是一种非均匀、各向异性的制造方法,导致成形件形状、尺寸及位置精度难以控制。特别在边缘沉积时,熔池在重力及表面张力的双重作用下,易发生塌边、端部凸起现象,使成形件边缘形状与尺寸难以控制,直接影响增材制造成形件的精度。

材料在经过加热熔化、冷却凝固的过程时,熔融材料受到表面张力的影响,上表面出现涟漪形态,形成具有波纹度的成形件表面。对于粉末床熔融增材制造技术来说,成形件表面会黏附粉体颗粒,严重影响成形件的表面精度。另外,由分层制造所带来的“台阶效应”是增材制造工艺的原理性误差,对成形件精度的影响是难以消除的,尤其影响复杂曲面的成形精度。同时,增材制造过程是一个非均匀加热、冷却的过程,应力分布不均。成形件易产生变形与残余应力,精度不高。

在增材制造技术中,成形系统由能量源(激光、电子束、离子束和电弧等)系统、送粉(或铺粉、供丝)系统、保护气系统和数控机床设备组成。其制造精度取决于整个系统的精度,且涉及诸多的工艺因素。如能量源的类型、能量输入的大小、能量的稳定性,粉末材料的形态、大小、粒径分布,丝材的直径,原材料的加工质量,对能量的吸收率,保护气的类型、流速、方向,机床设备本身的精度及稳定性,以及扫描路径、扫描速度、层厚、基板温度和基板类型,等等。

提高增材制造精度的措施有:减小分层厚度,降低“台阶效应”的影响;优化工艺参数,进行表面重熔;采取适当的后处理方式,如表面喷砂处理、机械加工等,提高成形件精度;提高成形机床设备的精度等。此外,对工艺过程进行实时监测,并进行反馈控制以保证增材制造成形件的精度。

增减材复合制造工艺也是提高增材制造精度的一个途径。增减材复合制造是指在增材制造过程中引入减材加工(如铣削、切削、磨削等机加工),获得边增材、边减材的工艺效果。与单纯增材制造后进行减材加工的工艺相比,增减材复合制造工艺能够解决成形件的内部结构(如内腔、内孔、内流道)加工问题,提高成形件的制造精度。

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