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无支撑3D打印复杂结构航空航天零件,变形量如何从0.5mm降至0.1mm?

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S弯管是航空航天领域的典型复杂结构,这是因为其壁厚小、曲率复杂、具有高长径比,在金属3D打印中极易发生累积变形。国内头部的航空航天3D打印服务商,曾一度将其作为重要难题进行攻克。


而随着越来越多的“普通3D打印企业”已可以承接商业航天制造服务,又该如何保证此类复杂结构的最终尺寸呢?是增加支撑来防止变形吗?

笔者注意到,漫格科技提出了一套“预打印件+扫描+变形分析+几何补偿“的方案。

基于VoxelDance Engineering(VDE)软件仿真补偿后的首次打印,就达到了用户预期要求,成功将S弯管整体打印变形量,由局部接近±0.5mm,降低至0.1mm以内。

与添加支撑相比,该方案更适合此类部件的多件、中小批量以及大批量交付。单零件的后处理时间能够节省了小时,涉及成本约7000元。

复杂曲率下的变形挑战

该S弯管的外形尺寸为82×122×264mm,空间曲率在较大的高度范围内连续变化,而且壁厚薄,这就导致零件的刚性整体偏低。在打印过程中极易出现热应力变形,难以保证制造精度。

实际打印的结果也确实如此,对首次打印的零件进行三维扫描后发现,弯管出现明显的几何变形,局部尺寸偏差达到了0.5mm。而且,管路的变形还不是单方向偏移,零件在不同区域同时出现了正向和负向的尺寸偏差,管口与曲率变化剧烈的位置变形最明显。


目前金属3D打印的应用正在趋近于免支撑和少支撑,以此能够大量减少后处理工作和相关支出。但这实际上是建立在保证制造质量和精度之上的。

就S弯管来说,内部贯通的流道既不方便添加支撑,后续也难以去除,进行几何补偿对高精度3D打印来说将是更好的解决方案。

VDE扫描变形补偿

工程师基于扫描得到的实际偏差数据,开始采用漫格仿真软件VoxelDance Engineering(VDE)对弯管进行变形补偿。

经过补偿的模型在打印前看起来已经发生了一定程度的预变形,但在实际制造过程中,这部分预设偏差会与打印产生的变形相互抵消,使最终零件更加接近目标几何结构。


这样一来,真实制造数据不再只是用于打印后的质量检测,而是直接参与下一轮制造决策。

采用补偿模型完成打印后,再次通过三维扫描验证零件尺寸。结果显示,弯管整体打印变形量控制在0.1mm以内,补偿后的首次打印即达到了预期效果。


补偿前后扫描变形偏差

更高精度,更低制造成本

精度改善只是结果的一部分。由于变形补偿承担了部分尺寸控制任务,该方案避免了常规的加支撑来防止变形操作,进而避免了后续处理工作,同时减少了材料浪费和其他支出。

对于航空航天薄壁管路而言,零支撑或少支撑往往是制造目标,但由此带来的变形控制问题却不能回避。与其通过增加支撑限制变形,不如在打印前理解变形、提前补偿变形。

VDE将打印后的扫描结果转化为下一次制造的输入,通过变形分析与反向补偿,让复杂薄壁结构在减少支撑和后处理的同时,获得更可控的最终尺寸。

本案例最终将整体变形量控制在0.1mm以内,节省约6小时的后处理时间和7000元综合成本,并在补偿后首次打印就达到了预期要求。

注:本文由3D打印技术参考创作,未经授权,谢绝转载。

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