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文章来源:MM《现代制造》 发布时间:2017-05-26
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最初,3D打印始于脑海想象:面对这种相对较新的制造技术所提供的巨大机遇,设计人员需要重新思考其开启这些机遇的方法。对于Grindaix公司和Bionic Production公司的冷却系统专家,也同样如此。

内径(ID)的外圆研磨所面临的最大挑战就是部件和刀具之间的空间有限。通过常规生产,提供符合所有要求的冷却喷嘴是十分不易的,可以说在孔隙非常小的情况下通常是无法实现的。这就是为什么,在实践中,制造商更倾向于从外部小心地注入打磨所需的润滑冷却剂的原因。

但是这样的话,内径外圆研磨的过程非常缓慢,并且存在到达加工部位的润滑冷却剂不足的风险,这就会导致较高的研磨周期,并且生产率也会相应降低,同时由于部件遭受热损伤,还会导致较高的报废率。Grindaix公司的所有人和首席执行官Dirk Friedrich对此解决方案并不满意,并且开始寻找其他方案。

Grindaix公司的总部设在德国North Rhine-Westphalia的Kerpen,专门从事机床冷却剂供应系统的优化和改造,并开发出最佳解决方案,以最大限度地减少磨削烧伤和冷却剂浪费。Grindaix公司的专家愿意接受新的制造技术,这些新的技术可能有助于其实现自身目标。

“我们在很久之前,就开始关注3D打印技术了。纵观整个市场,我们几乎很少能找到定制的、高效的、满足客户需求的、专门用于内径外圆研磨的喷嘴。所以我们认为利用这种新的制造技术制造这种喷嘴将是一个明智的选择。”Friedrich说。在3D打印领域内,任何事情均有无限可能。从理论上讲,这是真实可行的,但是在制作零件之前,需要大量的工程专业知识来确保3D打印机所逐层构建的东西在实际上是可行的。

图1  Bionic Production公司的销售主管Matthias Schmidt-Lehr(右)和他的同事Eric Wycisk了解3D打印的所有细节:设计师们首先需要忘记他们之前学到的一切,然后打开思想接受这项新的技术

Grindaix公司的工程师发现,用这种专业知识来创建3D打印兼容设计绝非易事。“我们习惯于以传统的方式去设计一些东西,换句话说,我们通常所关注的是制造工艺。我不是说3D设计是点金术,但它确实需要思维方式的转变。”Friedrich强调。所以Grindaix公司决定向位于德国Hamburg的Bionic Production公司寻求帮助。Bionic Production公司由Laser Zentrum Nord(德国的一家激光产业公司的前职员)创立,旨在将3D打印技术推向产业化。除了制造零件,Bionic Production公司还提供包括咨询、培训、部件优化、工艺和材料开发在内的客户服务。

“Bionic Production公司专家团队修改和优化了我们的初始设计,使其更为适合3D打印。他们向我们展示了我们需要关注的内容,我们从他们那里学到了很多东西,这使得我们现在可以自行设计3D零件。”Friedrich解释说。Bionic Production公司的销售主管Matthias Schmidt-Lehr了解3D打印的所有细节:“设计师们首先需要忘记他们之前学到的一切,然后打开思想接受这项新的技术。只有在特殊情况下,才会需要直线和矩形结构。3D打印使您有机会创建自由曲面,这些曲面中有许多是难以通过常规的CAD(计算机辅助设计)工具实现的,有些甚至是无法实现的。”

同样重要的是识别3D打印过程局限性的能力,并尽可能地回避此类局限性。“在3D打印中,我们使用支撑结构以使部件保持在3D打印机平台的相应位置,一旦打印过程完成,就必须将支撑结构移除。但是在许多情况下,您可以通过改变设计零件的方式来完全避免使用支撑结构。”Schmidt-Lehr说。

一切皆有可能

使用3D打印设计一个零件,第一步是模拟所有必要的方面,在这种情况下,就是模拟确定的润滑冷却剂入口和出口点以及避免与移动的机床部件碰撞所需的空间。然后,设计师只添加能够使该零件实现其目的所需的材料量即可。

“每小时的设备成本仍然是3D打印中的关键成本驱动因素。零件体积越小,构造所需的处理时间越短。通过省去所有不必要的材料,能够使零件更轻,这通常就是它的主要优势。即使零件的重量并不重要,减少体积还是可以降低生产成本的。”Schmidt-Lehr说。

图2  Dirk Friedrich认为,要实现3D打印方法的高度灵活性,必然需要精加工工艺

与传统方法不同,设计师只需专注于优化零件的工作原理。关于Grindaix公司的冷却喷嘴,由于流量损失减少,弯曲通道会导致压力下降。这样就可以减少所需的泵送功率,因此终端客户可以使用较小的泵或者获得更高的冷却液出口速度,终端用户可以从这两点中获益。

根据Grindaix公司提供的规格,利用Trumpf公司的Tru Print 1000系列,Bionic Production公司在逐次逼近求解过程中创建了新喷嘴的完美模型。“通过使用软件,可以完美地模拟设计的许多方面,例如冷却剂喷嘴的方向。但3D打印的好处是,它使得创建原型变得更加容易,尝试创建出来,然后根据需要进行修改即可。”Schmidt-Lehr说。

具有前瞻性是关键

前瞻性可以使团队能够在合理的时间范围内和预算范围内实施所有可能的优化。改进是显而易见的:和安装在最小的空间中一样,新型喷嘴也可以针对每个客户应用单独定制。Grindaix公司的 Grindaix非常高兴地说:“我们制作了大量不同的产品型号,3D打印技术使我们几乎能够为每一个客户提供完美的喷嘴。”

新型喷嘴在许多不同方面都是非常高效的。对冷却液流量进行优化,压力损失降低至20%,这意味着以更低的压力、更少的能量就能够实现规定的冷却液出口速度。弯曲通道和优化的喷射轨迹可以将润滑冷却剂精确地输送到所需位置,所输送的量不多不少,正好为所要求的量,这样就可以最佳方式执行工艺,而不会对零件造成热损伤。这种可靠的和自动化的、用于输送润滑冷却剂的解决方案消除了以前在制造过程中导致堵塞的因素。

图3  Dirk Friedrich表示: “新型喷嘴具有优化冷却剂流量的特点,将压力损失降低至20%,弯曲通道和优化的喷射轨迹将润滑冷却剂输送到所需要的精确位置。”

尽管 Friedrich很欣赏3D打印技术,但他本质上还是将这种特殊的制造方法视为锦上添花。而真正给喷嘴提供独特卖点的是可以保证精确几何设计的清洁工程工艺。“Grindaix喷嘴的冷却剂管道上游的润滑冷却剂的压力与其离开喷嘴的速度之间存在相关性。我们计算每个定制喷嘴形状的确切图形,水或油在喷嘴的速度与研磨速度之间也存在相关性。”Friedrich继续说道,“如果已知研磨速度,则可以借助Grindaix喷嘴流量图来实现对压力的自适应控制,这意味着我们可以精确地告诉我们的客户其喷嘴上游应该采取的压力,以实现研磨过程中规定的冷却液出口速度,我们从未在内径外圆研磨所成的喷嘴应用中获得过如此精确的精度。”

利大于弊

但是,无论 Friedrich对新型喷嘴多么满意,他从不试图向客户隐瞒产品的缺陷。“烧结零件的表面比常规金属表面更加粗糙。在外表面,至少对我们而言,这是一个关于零件外观的问题,我们可以通过抛光来改善。并且为了改善内表面上的粗糙度(这将再次导致流量损失),我们在高压下通过冷却喷嘴泵送磨料液。“连接螺纹的粗糙度也必须单独在过程中进行校正,以使密封紧密。

在优点方面,原始喷嘴的生产要经过四个生产步骤,而新的喷嘴仅需两个步骤,这就可以完全抵消这些缺点的出现。总而言之,Friedrich认为,3D打印过程的高度灵活性优点明显超过了缺点。“没有3D打印,这种喷嘴将无法生产。如果知道有哪些缺陷,那么可以在之后弥补这些缺陷。”

图4  旧的喷嘴分四个步骤进行制造:铣削、车削螺纹、钻孔、粘合,这些传统的制造技术会生产出具有相对角度的喷嘴

一次成型50个喷嘴

Bionic Production公司的Matthias Schmidt-Lehr也认为:“在许多情况下,实际上并不需要光滑的表面,它们只是钻铣过程的副作用。

但是,如果拥有光滑的表面对于组件的功能至关重要,在采用3D打印进行零件制造时,则必然需要进行一些重新加工。”他说完后又澄清了另外一个秘密,“许多公司似乎认为可以使用3D打印制作任何组件,并且最终会降低成本。但实际上这种方法却只适用于制造少量零件。但是,当正确匹配时,可能会获得巨大效益。”

目前,Grindaix新型喷嘴仍属于开发中项目,尽管有些客户已经在使用这些喷嘴,但是Friedrich对其未来的销售潜力持乐观态度。“我们已经远远超出了原型阶段。与Trumpf公司和Bionic Production公司的合作过程中,我们一直在确认这样的理念,就是在将来我们能够使用大型打印机一次性打印50个不同的喷嘴,这显然会对制造成本产生积极作用。”他对3D打印的灵活性印象非常深刻,“凭借我们在这个联合项目中积累的所有专业知识,我们当然会考虑将来自主生产3D打印部件。”

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