【機(jī)床商務(wù)網(wǎng)欄目 科技動(dòng)態(tài)】嫁接打印是指并非從零開始，而是在現(xiàn)有的材料上完成3D打印的零件制造過程。
 

　　底材一般是通過銑削加工減材制造，而在其上打印的部分是增材制造。所以，有些人也將這種制造方式稱為混合制造。在金屬3D打印只占到整個(gè)制造零件5%的今天，嫁接打印作為3D打印的一個(gè)細(xì)分領(lǐng)域，對于它制造過程的研究更是少之又少。各大廠家沒有花足夠多的心思研究嫁接打印。但是在客戶應(yīng)用端，嫁接打印的需求從來都沒有停止過，而且呈現(xiàn)增長趨勢。
 

膝關(guān)節(jié)植入物底托的圓盤部分，更適合使用減材加工
 

　　嫁接打印開始的發(fā)展是出于降低成本的考慮，比如在模具行業(yè)，只有在部分需要優(yōu)化水路的部分采用3D打印隨型水路，而在沒有熱量堆積的部分，使用傳統(tǒng)的直水路，這樣的混合制造可以有效的降低模具的制造成本。
 

　　隨著3D打印應(yīng)用類型的不斷增加，有些客戶發(fā)現(xiàn)在3D打印并不擅長處理大塊且密實(shí)的結(jié)構(gòu)，不但打印時(shí)間長，而且內(nèi)應(yīng)力集中。大塊且密實(shí)的結(jié)構(gòu)由于更適合減材加工，使得嫁接打印的在這種零件上的應(yīng)用呼聲很高。
 

　　01、嫁接打印的技術(shù)難點(diǎn)
 

　　材料
 

　　由于對焊接技術(shù)的了解，廠家和客戶早就知道嫁接打印的底材和嫁接材料應(yīng)該是選用同一種材料。但是，在實(shí)際使用過程中仍然有很多困難。因?yàn)閭鹘y(tǒng)的材料，比如鋼材的牌號(hào)非常多，金屬3D打印能使用的材料則非常少，那么不同牌號(hào)的鋼材在嫁接后的強(qiáng)度是否能滿足要求，成了客戶較大的疑問。熟悉3D打印的客戶都知道3D打印需要使用基板完成制造。打印鈦合金需要使用鈦合金基板，打印鋁合金需要使用鋁合金基板。使用同種材料的基板才能保證打印后零件和基板之間不會(huì)開裂。
 

　　實(shí)際上，基板的使用也是嫁接打印的過程，只不過嫁接底材相對面積大，且平整。從理論上說，使用同種材料的目的是為了保證受熱和冷卻后材料的收縮率一致，才不會(huì)開裂。那么，在打印不同鋼材和高溫合金的時(shí)候，我們都使用鋼基板，就說明絕大部分的鋼材和可使用的高溫合金材料在3D打印過程中收縮率差距不大。所以在嫁接打印領(lǐng)域，也可以完全套用這個(gè)理論。并不是我們之前認(rèn)為的必須要同種材料，可相互兼容的材料范圍比我們一直認(rèn)為的要大的多。
 

　　定位
 

　　嫁接打印的技術(shù)難點(diǎn)在于定位。3D打印的工作面積要與底材完全重合，不然就會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)位。如果零件內(nèi)部有流道，定位錯(cuò)誤會(huì)引起的流道錯(cuò)層，從而導(dǎo)致零件不能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。對于要求高的零件，我們認(rèn)為尺寸公差小于0.1mm才是有效的嫁接。
 

內(nèi)部水路錯(cuò)位
 

　　除了XY方向的定位精度，Z軸的定位一直是被客戶忽略的問題。由于客戶自己開發(fā)的嫁接方式大多只兼顧了XY方向的定位，對于z軸的定位缺乏科學(xué)有效的手段，主要靠目測和手感。預(yù)埋深度定位不精確還是小問題，大部分開裂和漏水的原因還是底材的平面度沒有調(diào)整好，導(dǎo)致嫁接后局部位置融合出現(xiàn)問題，導(dǎo)致應(yīng)力集中引發(fā)的疲勞性失效。
 

平面度不好會(huì)導(dǎo)致局部融合問題
 

　　02、客戶的解決方案
 

　　前面提到由于嫁接打印這個(gè)領(lǐng)域，各大廠家的關(guān)注少，系統(tǒng)性的解決方案也少。有研發(fā)能力的客戶紛紛開始自己著手開發(fā)解決方案。目前主流的方法主要有四種，分別是真空焊接，馬克筆定位和膠水定位法和夾具定位法。
 

　　真空焊接
 

　　焊接是直觀的解決方案開發(fā)的思路。既然是兩部分，那么能不能把他們焊接起來。焊接作為傳統(tǒng)的連接兩個(gè)零件的方式，自然成為了客戶想到的解決方案。在眾多的焊接方式中，真空焊接有著較為成熟的應(yīng)用。通過高溫高壓將兩個(gè)部件融合在一起，強(qiáng)度和精度都有很好的保證。但是，真空焊接的缺點(diǎn)是，要求兩個(gè)部分都有較大的平行平面，才能通過機(jī)械壓力將其結(jié)合。如果，零件結(jié)構(gòu)不能滿足要求，比如尖頂，就不能使用真空焊接的方式焊接。而且，真空焊接只能焊接一層，如果是多層的結(jié)構(gòu)，一般都會(huì)出現(xiàn)疲勞性的問題。
 

真空焊接的混合制造零件
 

　　馬克筆定位
 

　　馬克筆定位法是將底材的表面用馬克筆涂成黑色，然后裝入設(shè)備，在不鋪粉的情況下，使用激光燒結(jié)一層。被燒結(jié)的部分由于受熱顏色揮發(fā)，漏出金屬本來的顏色，沒有被燒結(jié)到的地方仍然是黑色。通過不斷的調(diào)整位置，后完成定位。馬克筆定位法與其說是一種定位的方式，不如說是一種驗(yàn)證的方式。用戶通過窮舉法不斷的驗(yàn)證設(shè)計(jì)位置完成定位。雖然略顯笨拙，但是十分有效。這個(gè)頗具艱苦時(shí)期革命浪漫主義氣息的解決方案，在嫁接打印初發(fā)展的幾年立下了汗馬功勞。其定位精度和效果可圈可點(diǎn)，現(xiàn)在仍然有不少客戶在使用此方法。
 

將底材嫁接面涂黑
 

　　膠水定位法
 

　　馬克筆定位法雖然有效，但是效率太低，一旦客戶的嫁接打印零件上量后，勞動(dòng)強(qiáng)度較大。那么，有聰明的客戶就想到能不能快速的實(shí)現(xiàn)底材定位，就催生了這個(gè)膠水定位的方法。首先客戶將底材和要嫁接的部分當(dāng)成一個(gè)零件去考慮。做成三維模型，用這個(gè)模型在基板上只打印1-2層。這樣基板上就會(huì)留下底材底面的外輪廓(實(shí)際是有實(shí)體的，但是這種定位方法只需要輪廓)。再將底材用膠水粘在基板上，與這個(gè)輪廓重合。預(yù)埋調(diào)平后，讓設(shè)備從嫁接層開始打印就完成了定位。
 

　　這種定位方式的好處就在于將兩個(gè)零件作為一個(gè)零件考慮，一次操作就可以完成定位，不需要反復(fù)調(diào)整，減少了很多工作強(qiáng)度。
 

　　夾具定位法
 

　　在減材加工和測量領(lǐng)域，零點(diǎn)定位是一個(gè)基本的概念。夾具也是在零點(diǎn)定位的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的成熟定位工具。3D打印機(jī)在升降平臺(tái)上基板的正中心也是XY=0的位置。那么通過設(shè)計(jì)專用的夾具，也是可以完成XY定位的。特別在一些量產(chǎn)的嫁接打印零件領(lǐng)域，客戶自研夾具的比例非常高。而且，其夾具都是用3D打印機(jī)直接打印出來的，一次定位，反復(fù)使用。
 

　　GF加工方案的System 3R 增材制造專用夾具，也是客戶的首選，不僅可以快速的定位嫁接件，還可以直接銜接銑床，完成后處理減材加工的零點(diǎn)定位。
 

GF加工方案增材制造專用夾具
 

　　03、GF監(jiān)控定位解決方案
 

　　GF加工方案為嫁接打印的應(yīng)用開發(fā)了使用監(jiān)控定位的解決方案，用科學(xué)的方法實(shí)現(xiàn)快速、精確定位的目的。目前3D打印的監(jiān)控系統(tǒng)大多由影像的鋪粉質(zhì)量監(jiān)控，和利用光電二極管收集熱輻射數(shù)據(jù)的熔池監(jiān)控兩大主要系統(tǒng)組成。熔池監(jiān)控不但能采集粉床上的熱輻射數(shù)據(jù)，還能給出輻射點(diǎn)的XYZ坐標(biāo)。使用監(jiān)控定位底材正是應(yīng)用了這個(gè)原理。
 

　　要實(shí)現(xiàn)定位先要在底材上鉆一些定位孔，通過監(jiān)控對孔進(jìn)行定位，之后設(shè)備會(huì)計(jì)算出理論孔的坐標(biāo)與實(shí)際坐標(biāo)的偏差，在設(shè)備打印時(shí)，機(jī)器會(huì)自動(dòng)修正這個(gè)偏差，終實(shí)現(xiàn)高精度的定位和零件制造。
 

　　定位步驟
 

　　1. 利用激光器定位單孔。
 

　　對孔周圍的區(qū)域進(jìn)行掃描，因?yàn)榉瓷渎实牟煌O(jiān)控識(shí)別出帶坐標(biāo)的孔位。
 

 

　　2. 定位多個(gè)孔位。
 

　　要實(shí)現(xiàn)定位必須要至少得到三個(gè)孔位的坐標(biāo)，而且這三個(gè)孔位要成三角關(guān)系排列，不能再一條直線上。底材上的孔位越多，定位精度越高。
 

 

　　3. 使用設(shè)備自帶的軟件進(jìn)行結(jié)果偏差的擬合。
 

　　激光器工作時(shí)會(huì)自動(dòng)補(bǔ)償這個(gè)偏差，從而完成嫁接打印。值得一提的是，監(jiān)控不僅能定位XY坐標(biāo)，還能定位Z坐標(biāo)。如果底材的平面度不好，是可以從數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)，為客戶提供判斷依據(jù)。
 

 

　　對于在底材上鉆孔有顧慮的客戶，大可以放心。這個(gè)定位法本身可以利用底材上現(xiàn)有的標(biāo)識(shí)物，比如模具隨型水路本來就有的孔。新鉆的孔，也不需要填充，孔位處也可也通過設(shè)計(jì)來避免支持的添加。在廣泛的強(qiáng)度和疲勞度測試中，并沒有發(fā)現(xiàn)孔位對整體強(qiáng)度有影響。
 

　　利用熔池監(jiān)控定位，有著很高的精度，可以輕松滿足嚴(yán)苛的0.1mm的偏差要求。實(shí)現(xiàn)簡單，操作難度低。被廣泛的有嫁接需求的客戶所采用。