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行業(yè)案例
CASE
行業(yè)/分類：其他手板模型加工
加工方式: 3D打印 使用材料: 金屬
最小精度: 0.1mm 生產(chǎn)周期: 2~7天
產(chǎn)品尺寸: 5cm*5cm*3cm
后處理: 打磨
案例介紹
3D金屬打印復(fù)雜齒輪手板模型有以下諸多要點：
一、前期準備
設(shè)計模型
精確建模：首先要使用專業(yè)的三維建模軟件（如SolidWorks、UG等）設(shè)計出齒輪手板模型。在設(shè)計過程中，需要精確設(shè)置齒輪的模數(shù)、齒數(shù)、壓力角等參數(shù)，確保齒輪的尺寸和形狀符合要求。例如，對于模數(shù)為2，齒數(shù)為30的直齒圓柱齒輪，其分度圓直徑就是2×30 = 60mm。同時，要考慮到齒輪的軸孔、鍵槽等細節(jié)部分的設(shè)計，以滿足后續(xù)安裝和使用的要求。
考慮工藝性：由于3D金屬打印的特點，在設(shè)計時還需要考慮工藝性。例如，為了避免應(yīng)力集中，在齒輪的輪齒根部與輪轂的過渡處應(yīng)設(shè)計合適的圓角半徑。對于一些復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，如空心齒輪或帶有冷卻通道的齒輪，要在設(shè)計中合理地添加支撐結(jié)構(gòu)和工藝孔，以便于打印過程中的材料填充和成型。
壁厚優(yōu)化：根據(jù)3D金屬打印設(shè)備和所選材料的特性，確定合適的壁厚。一般來說，較薄的壁厚可以節(jié)省材料和打印時間，但過薄可能會導(dǎo)致打印失敗或零件強度不足。例如，對于鈦合金齒輪手板，壁厚一般不宜小于0.5mm，對于較大尺寸的齒輪，壁厚可以適當增加。
選擇材料
材料性能匹配：根據(jù)齒輪手板的用途和工作環(huán)境選擇合適的金屬材料。如果齒輪用于高速重載的傳動系統(tǒng)，如汽車變速箱，可能需要選用高強度、高硬度的合金鋼，如40CrMnSiMoVA等；如果是用于航空航天領(lǐng)域的輕量化部件，可能選擇鈦合金（如TC4）較為合適，因為鈦合金具有密度低、強度高的特點。
可打印性評估：不同的金屬材料適用于不同的3D打印工藝。例如，選區(qū)激光熔化（SLM）技術(shù)適用于打印不銹鋼、鈦合金、鋁合金等多種金屬，而電子束熔化（EBM）技術(shù)在打印高溫合金方面有較好的表現(xiàn)。在選擇材料時，要考慮其對所選打印工藝的適應(yīng)性，包括材料的粉末流動性、熔點、膨脹系數(shù)等參數(shù)。
打印設(shè)備調(diào)試
校準設(shè)備：在打印之前，需要對3D金屬打印設(shè)備進行校準。這包括檢查激光光路是否準確、粉倉鋪粉是否均勻、刮刀高度是否合適等。例如，在SLM設(shè)備中，激光光斑的大小和能量分布直接影響打印質(zhì)量，通過校準確保光斑在工作平面上的位置準確，能夠使打印出的齒輪手板尺寸精度更高。
設(shè)置參數(shù)：根據(jù)所選材料和模型特點，設(shè)置合適的打印參數(shù)。這些參數(shù)包括激光功率、掃描速度、層厚、預(yù)熱溫度等。以不銹鋼齒輪手板為例，激光功率一般在180 – 240W之間，掃描速度為600 – 1200mm/s，層厚為0.03 – 0.05mm。合適的參數(shù)設(shè)置可以保證打印過程的穩(wěn)定性，減少缺陷的產(chǎn)生。
二、打印過程
基底制作
制作平臺準備：在打印平臺上創(chuàng)建一個平整的基底，通常使用刮刀將金屬粉末均勻地鋪在平臺上，形成一層薄薄的粉床。對于一些復(fù)雜的齒輪手板模型，基底的平整度至關(guān)重要，它直接影響到第一層打印的質(zhì)量。如果基底不平整，可能會導(dǎo)致第一層粉末鋪設(shè)不均勻，進而影響后續(xù)層的打印質(zhì)量。
預(yù)熱基底：根據(jù)所選材料的要求，對基底進行預(yù)熱。預(yù)熱的目的是減少打印過程中的溫度梯度，防止零件產(chǎn)生裂紋和變形。例如，對于鈦合金的打印，預(yù)熱溫度一般設(shè)置在200 – 300℃之間，這樣可以提高粉末的流動性，使第一層粉末更好地熔化和凝固。
逐層打印
分層切片：將設(shè)計好的齒輪手板模型進行分層切片處理，得到一系列二維輪廓數(shù)據(jù)。切片的層厚通常根據(jù)打印設(shè)備的精度和材料特性來確定，一般為0.02 – 0.1mm。在打印過程中，設(shè)備按照這些切片數(shù)據(jù)逐層制造。例如，一個厚度為10mm的齒輪手板模型，如果層厚設(shè)置為0.05mm，那么它將被切片成200層進行打印。
激光掃描熔化：以SLM技術(shù)為例，在打印過程中，激光按照切片數(shù)據(jù)的輪廓選擇性地照射在金屬粉末上，使粉末熔化并迅速凝固。對于齒輪的輪齒部分，由于其形狀復(fù)雜，激光的掃描路徑需要精確規(guī)劃，以確保輪齒的形狀精度和表面質(zhì)量。在掃描過程中，相鄰熔覆線的重疊率一般在30% – 50%之間，這樣可以保證良好的熔覆效果，減少孔隙和裂紋的產(chǎn)生。
實時監(jiān)控與調(diào)整：在打印過程中，通過設(shè)備自帶的監(jiān)控系統(tǒng)實時觀察打印狀態(tài)。如果發(fā)現(xiàn)異常情況，如激光功率不穩(wěn)定、粉末供應(yīng)不足或打印層出現(xiàn)缺陷等，及時進行調(diào)整。例如，如果發(fā)現(xiàn)某一層打印出現(xiàn)了局部未熔化的情況，可以適當降低打印速度或增加激光功率來解決這個問題。
三、后處理
去除支撐結(jié)構(gòu)
機械方法：在打印復(fù)雜齒輪手板模型時，通常會添加支撐結(jié)構(gòu)來保證打印的成功率。打印完成后，需要將這些支撐結(jié)構(gòu)去除。對于一些簡單的支撐結(jié)構(gòu)，可以使用鉗子、錘子等工具手動去除。但對于復(fù)雜的內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)，可能需要采用切割、打磨等機械方法。例如，使用小型切割機沿著支撐結(jié)構(gòu)與齒輪手板的接觸面小心地切割，然后將殘留的部分用砂紙打磨光滑。
化學(xué)方法：在一些情況下，也可以使用化學(xué)方法去除支撐結(jié)構(gòu)。例如，對于某些水溶性支撐材料，可以將打印件放入水中或?qū)ｉT的溶液中，通過溶解的方式去除支撐。不過，這種方法需要注意控制處理時間和溶液濃度，避免對齒輪手板本身造成腐蝕。
熱處理
應(yīng)力消除：3D金屬打印過程中會產(chǎn)生熱應(yīng)力，可能導(dǎo)致齒輪手板變形或出現(xiàn)微觀裂紋。通過熱處理可以有效地消除應(yīng)力。對于常見的金屬材料，如不銹鋼和鈦合金，可采用退火處理。例如，不銹鋼齒輪手板在打印后可以在900 – 1000℃下進行退火處理，保溫一段時間后緩慢冷卻，這樣可以松弛內(nèi)部的應(yīng)力，提高零件的穩(wěn)定性。
硬度調(diào)節(jié)：根據(jù)齒輪手板的性能要求，還可以通過熱處理來調(diào)節(jié)硬度。例如，對于需要較高硬度和耐磨性的齒輪，可以在去除應(yīng)力后退火的基礎(chǔ)上進行淬火 + 回火處理。以40Cr合金鋼為例，淬火溫度一般在850 – 880℃之間，回火溫度根據(jù)所需的硬度而定，通常在300 – 600℃之間。
表面處理
打磨拋光：為了使齒輪手板表面更加光滑，提高其尺寸精度和外觀質(zhì)量，需要進行打磨拋光處理。從粗磨到精拋，逐步提高表面質(zhì)量。例如，先使用砂輪對表面進行粗磨，去除打印過程中產(chǎn)生的毛刺和較大的凸起，然后換用更細粒度的砂紙進行手工打磨，最后采用拋光膏和拋光輪進行精拋，使表面粗糙度達到Ra 0.8 – 0.1μm左右。
涂層處理：根據(jù)具體應(yīng)用需求，還可以對齒輪手板進行涂層處理。例如，為了提高齒輪的耐磨性和耐腐蝕性，可以在表面鍍上一層硬鉻或鎳基合金涂層。涂層的厚度一般控制在0.02 – 0.05mm之間，通過物理氣相沉積（PVD）或化學(xué)氣相沉積（CVD）等方法來實現(xiàn)。
