北卡罗来纳州研究人员开发提高3D打印关键零部件完成时间效率的方法

2024年5月18日，南极熊获悉，北卡罗来纳州立大学（NC State）研究人员展示了一项可自动对金属3D打印机器部件进行质量控制的技术。这一技术使用户无需将零件从打印机中取出，即可识别潜在的缺陷。

△该论文发表在《国际制造技术与管理杂志》上，题目是“具有关键公差的快速成型零件的基于特征的自动检测和鉴定”（传送门）

北卡罗来纳州立大学Edward P. Fitts工业与系统工程系助理研究教授Brandon McConnell 表示：“3D 打印和其它增材制造技术吸引人的原因之一是，这些技术允许用户快速更换关键的机器部件，否则这些部件在工厂之外很难制造出来。增材制造工具可以根据需要进行制造，而不是受制于可能需要长时间等待的供应链。这通常意味着使用3D打印按需制造小批量的机器零件。”

金属机械零件打印完成后，通常需要进行额外的精加工和测量，以确保零件符合关键的公差要求。目前，这一过程涉及将零件从相关制造设备中取出、测量，然后再放回制造设备中进行适度调整。McConnell解释说：“这可能需要反复进行，耗费大量时间。我们在这项研究中的工作加速了这一过程。”

具体来说，研究人员将3D打印、自动化加工、激光扫描和触摸感应测量技术与相关软件集成在一起，创建了一个高度自动化的系统，可生产满足关键公差的金属机器部件。

△图片展示了增材和减材混合（DASH）过程的顺序。在这个过程中，使用激光扫描仪来定位零件，并收集数据以确定零件本身剩余的额外材料量。利用扫描数据，创建一个转换矩阵来将原始CAD模型与机器中零件的实际位置对齐。然后，使用MasterCAM插件自动生成切削路径，这些路径可以上传到铣床中，用于对关键表面进行整体模型粗加工和最终精加工

对比传统技术新技术可节省时间成本

在3D打印金属部件（包括支撑结构）后，机器操作员将打印好的部件利用支撑结构安装到精加工设备上。此时，激光会对安装好的部件进行扫描，以确定其尺寸。然后，软件程序利用这些尺寸和所需的关键公差来引导精加工设备，从而有效地打磨掉零件上的任何不规则部分。在这一过程中，精加工设备会控制3D打印部件的方向，以便通过触摸式机器人探头进行测量，确保部件的尺寸在必要的参数范围内。

为了测试新方法的性能，研究人员使用传统的3D打印和精加工技术制造了一个机器零件，然后使用他们的新工艺制造了同样的零件。

△在图(a)中，显示了在CAD系统上定义的原始零件坐标系原点。而在图(b)中，显示了添加了牺牲支撑后，重新定位的零件坐标系，并突出显示了红色定义的主旋转平面

McConnell说：“使用传统技术，我们能够在200分钟内完成零件，而使用我们的新技术，我们能够在133分钟内完成同样的零件。根据不同的情况，节省67分钟是非常重要的。在大多数专业领域，时间就是金钱。例如，在应急响应环境中，这可能就是生死攸关的差异。”

研究人员指出，这项工作的重点是打印和加工包括活塞等圆形或圆柱体的机器零件。不过，这种方法也可适用于具有其它特征的机器零件。

McConnell表示：“我们在这项技术中使用的所有硬件都可以在市场上购买到，我们在论文中也清楚地概述了必要的软件，因此我们认为这种新方法几乎可以立即被采用并投入使用。当然，我们也愿意与有兴趣在其业务中使用这项技术的合作伙伴合作。”

这项工作得到了美国陆军研究办公室的支持，拨款号为W911NF1910055。