概要：多階段制造流程會(huì)帶來(lái)不確定因素和工藝偏差，導(dǎo)致結(jié)果不準(zhǔn)確。若沒(méi)有合適的工具和系統(tǒng)性方案，糾正調(diào)查難度不小。
目標(biāo)：使用Artec 3D Space Spider和3D Systems的Geomagic Control X計(jì)量與質(zhì)量管理軟件，通過(guò)迭代率，降低總成本與項(xiàng)目時(shí)間，提升準(zhǔn)確度，效果遠(yuǎn)超鑄造廠預(yù)期。
使用工具：Artec Space Spider, Artec Studio, Geomagic Control X
掃描與監(jiān)測(cè)增材制造部件可降低成本，減少迭代，提升準(zhǔn)確度和質(zhì)量水平。
隨著全新生產(chǎn)技術(shù)的出現(xiàn)，制作優(yōu)質(zhì)零件也隨之產(chǎn)生了新的技術(shù)難題。通常，在合同制造商初次生產(chǎn)時(shí)，就要先對(duì)全新工藝進(jìn)行重要調(diào)整，以了解收縮、表面處理和重復(fù)性等情況。增材制造也不例外，但追蹤這些生產(chǎn)方式的工具水平還很落后。但現(xiàn)在開(kāi)始，一切都有了改變。
多數(shù)制成品的生命周期和生產(chǎn)流程往往遵循一個(gè)共同流程。設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)是工藝、步驟和職責(zé)方面考量的普遍做法。每個(gè)階段都影響著生產(chǎn)零件的品質(zhì)。根據(jù)制造部件的復(fù)雜程度及特性，真正的工藝流可能需要多次循環(huán)調(diào)整和反饋。
在下方工藝流案例中，我們展示了配合使用Artec Space Spider與Geomagic軟件，可在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)驗(yàn)證、制造流程的所有階段，完成3D打印蠟型鑄件及其部件的全外形捕獲與分析。
挑戰(zhàn)
多階段制造流程會(huì)帶來(lái)不確定因素和工藝偏差，不斷累積會(huì)導(dǎo)致結(jié)果不準(zhǔn)確。如果沒(méi)有合適的工具和系統(tǒng)性方案，糾正調(diào)查難度不小
解決方案
Artec 3D Space Spider掃描儀和3D Systems的Geomagic® Control X?計(jì)量與質(zhì)量管理軟件
結(jié)果
?采用3D掃描和檢驗(yàn)網(wǎng)調(diào)整增材制造無(wú)工具制模流程，通過(guò)迭代（1次），提升效果
?降低27%的成本，準(zhǔn)確度提升10%
?與鑄造廠密切合作，分析制模流程網(wǎng)，迭代（1次），但部件效果遠(yuǎn)超鑄造廠預(yù)期
?部件準(zhǔn)確度提升14%
?表面處理成本降低，無(wú)需二次加工工序
Artec Space Spider是一款帶超高分辨率的手持式3D掃描儀，能精確捕獲小型物體和復(fù)雜幾何，并用于尺寸檢查。
Space Spider即開(kāi)即用，掃描過(guò)程輕松，無(wú)需復(fù)雜的前期準(zhǔn)備或大量使用培訓(xùn)，用戶可在任何地方完成數(shù)字化操作。Artec 3D的“無(wú)標(biāo)靶”算法能單獨(dú)依靠掃描儀捕獲物體外形與色彩，無(wú)需在物體上增加任何標(biāo)記。
Artec Studio掃描軟件
3D Systems的Geomagic Control X是工業(yè)級(jí)計(jì)量軟件，能為制造工藝進(jìn)行根本原因分析和修整，與3D掃描原生軟件相同，Control X是理想的便攜式測(cè)量設(shè)備。Control X可以讓所有團(tuán)隊(duì)成員在任何地方實(shí)現(xiàn)更快、更多、更完整的測(cè)量。
整套解決方案為復(fù)雜制造工藝的順利生產(chǎn)提供了獨(dú)特方式。結(jié)果如何呢？大幅提升了部件的整體質(zhì)量、準(zhǔn)確度和再現(xiàn)性。
設(shè)計(jì)
在該制造案例中，我們重復(fù)了客戶的一項(xiàng)真實(shí)項(xiàng)目，但簡(jiǎn)化了部分細(xì)節(jié)。在本案例中，我們的客戶需要研發(fā)一輛特別的輕量型自動(dòng)駕駛汽車。為加快上市時(shí)間，選擇了目前市面上許多汽車部件與系統(tǒng)，結(jié)合起來(lái)完成汽車原型。在這過(guò)程中，他們找到了一款特殊的轉(zhuǎn)向節(jié)，對(duì)項(xiàng)目頗有用處，客戶需要對(duì)其數(shù)字化，捕獲設(shè)計(jì)，用于輕量材料的設(shè)計(jì)修改與生產(chǎn)。
首先，對(duì)原始件進(jìn)行3D掃描和逆向工程。Artec Space Spider被用于產(chǎn)品快速數(shù)字化，并通過(guò)獨(dú)特的混合建模技術(shù)，在Geomagic Design X中完成準(zhǔn)確建模。通常，客戶會(huì)在按完工圖（準(zhǔn)確度高）或設(shè)計(jì)意圖（尺寸優(yōu)先）兩種建模方式中選擇?；旌辖７ńY(jié)合了兩種方式，完成的CAD實(shí)體模型既包含尺寸特征，也包含高度準(zhǔn)確的NURB曲面。通過(guò)這種方式，不到1.5小時(shí)就完成了建模，隨后以基于特征的CAD直接實(shí)時(shí)導(dǎo)出至SOLIDWORKS。
原始件掃描
混合CAD模型
用于打印的去特征模型
未完工的2500 IC打印件
Projet 2500 IC上樣品橫截面稀疏填充模式
模具制作
幾十年來(lái)，增材制造在航空航天和汽車行業(yè)中被用于制作犧牲性鑄件模具。由于近期3D打印技術(shù)出現(xiàn)新的進(jìn)展，工業(yè)級(jí)模具能以低的造價(jià)由蠟或高分子聚合物打印完成，能與脫蠟工藝無(wú)縫對(duì)接。如今，3D Systems已經(jīng)更為廣泛地應(yīng)用于無(wú)工具增材模具制造，隨著技術(shù)的普及、提速以及精準(zhǔn)度的提升，將來(lái)這一應(yīng)用還將更為廣泛。
對(duì)涉及熱能材料沉積的增材工藝或后期處理，可能會(huì)出現(xiàn)一定程度的沉積和“沉降”。質(zhì)量較重的部件或重要截面區(qū)域存儲(chǔ)熱能的時(shí)間，會(huì)比輕薄型和小型部件更久。
基于這一認(rèn)識(shí)，我們測(cè)試了兩種打印方式，希望盡可能將打印材料的成本降到很低，同時(shí)保持高水平的尺寸穩(wěn)定性。我們測(cè)試了完全固體蠟打印法以及薄殼/稀疏蠟填充法，由3D Sprint Build客戶軟件準(zhǔn)備，并在Projet MJP 2500 IC系統(tǒng)打印，生成蠟?zāi)?。根?jù)以往的經(jīng)驗(yàn)，我們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)打印相對(duì)較大的零件時(shí)，帶50%稀疏填充率的2毫米薄殼可產(chǎn)生高質(zhì)量的穩(wěn)定零件。
經(jīng)過(guò)后期處理和冷卻，我們使用同一臺(tái)Artec Space Spider輕松掃描了兩個(gè)模具。零件的獨(dú)特形狀、蠟的綠色以及后期處理的輕微鈍化和增白效果，使我們的掃描技術(shù)人員能使用幾何+紋理跟蹤順利捕獲模型。
通過(guò)Geomagic Control X，我們直接導(dǎo)入了3D Sprint Build文件，并根據(jù)檢驗(yàn)程序的打印方向檢查了每個(gè)零件。因?yàn)槲覀儗⒎磸?fù)掃描主體部分來(lái)改善工藝，因此我們能夠建立一個(gè)詳細(xì)的檢查項(xiàng)目并多次重復(fù)，同時(shí)將整個(gè)過(guò)程的開(kāi)發(fā)歷史記錄保存在一個(gè)Geomagic Control X文件中。掃描完成后，我們只需將每個(gè)新的stl文件放入Control X項(xiàng)目中，評(píng)估過(guò)程就會(huì)自動(dòng)進(jìn)行，從而獲得高質(zhì)量、可重復(fù)的報(bào)告。
我們發(fā)現(xiàn)，通常所有帶有加工偏移的區(qū)域都在鑄件公差范圍內(nèi)，但自由度更高的區(qū)域有超出公差范圍的趨勢(shì)。我們認(rèn)為，這與我們的假設(shè)有關(guān)，即大截面區(qū)域保留熱量并在冷卻時(shí)變形。
這一階段的綜合分析幫助我們得出一些結(jié)論，即帶有蠟制模具的3D打印不僅更具成本效益，而且后期處理后，尺寸也更加合規(guī)。
澆鑄
脫蠟法是一種可信賴的制造方式，其歷史可追溯到5000年前，在工業(yè)革命后的幾百年，它已在全球工業(yè)制造領(lǐng)域受到廣泛認(rèn)可。
如今，鑄造工藝已相當(dāng)成熟且易重復(fù)，廣為人知，模擬軟件也涵蓋了相關(guān)部分以減少內(nèi)部零件出現(xiàn)缺陷的概率。與經(jīng)驗(yàn)豐富的鑄造廠合作，客戶無(wú)需耗費(fèi)額外精力，即可完成增材制造模具，并生產(chǎn)出沒(méi)有內(nèi)部缺陷的零件，表現(xiàn)超過(guò)普通工藝的鑄模預(yù)期公差。
由于鑄造工藝本身的穩(wěn)定性，積極參與結(jié)果測(cè)試和工藝迭代測(cè)試的客戶，在調(diào)整零件幾何時(shí)，還能得到品質(zhì)更高的產(chǎn)品。
所需澆鑄尺寸
實(shí)際鑄模尺寸
?工藝中零件物理用量減少約35%。
?材料成本降低約27%。
?整體公差合規(guī)性提升約10%（使用3D對(duì)比）
?實(shí)體零件沒(méi)有通過(guò)公差閾值。
?填充零件通過(guò)公差閾值。
?此外，進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，室溫下的尺寸長(zhǎng)期穩(wěn)定性高于實(shí)體零件。
分析：實(shí)體蠟?zāi)＞?
分析：填充法蠟?zāi)＞?
收縮是鑄造過(guò)程的常見(jiàn)結(jié)果，鑄造廠通常會(huì)為客戶提供一些指導(dǎo)，來(lái)彌補(bǔ)特定材料產(chǎn)生的收縮，用包圍盒定義零件尺寸。由于幾何復(fù)雜性以及物理澆鑄過(guò)程的影響，通常大多數(shù)零件會(huì)出現(xiàn)不均勻的收縮。因此，鑄造常常被視為“離散公差”的過(guò)程。
在轉(zhuǎn)向節(jié)的鑄造過(guò)程中，我們研究了適合模型和材料的收縮率。鑄造廠建議使用2%的均勻縮放來(lái)生產(chǎn)準(zhǔn)確的零件。為了研究3D掃描和精度縮放因子對(duì)成品精度的影響，我們按照建議的2%縮放因子制作了蠟?zāi)?，并提供給鑄造廠。
對(duì)返回鑄件進(jìn)行進(jìn)一步檢查，檢查均勻的縮放因子是否符合預(yù)期公差。遵循常規(guī)鑄模規(guī)范，一般零件肯定符合合作商規(guī)定的可實(shí)現(xiàn)的精度參數(shù)。但使用Control X中的“橫截面”對(duì)比工具仔細(xì)檢查發(fā)現(xiàn)，在某些明顯部位，若更好地采用精度縮放因子，可大幅提升成品零件的整體精度。
根據(jù)嚴(yán)格公差進(jìn)行的“橫截面輪廓”對(duì)比，清楚顯示了帶有藍(lán)色的外部邊界，而內(nèi)部邊界則顯示了橙色和紅色。外部輪廓確認(rèn)存在“尺寸過(guò)小”的情況，實(shí)際零件邊界在參照邊界內(nèi)。內(nèi)部輪廓顯示，中心圓柱特征的尺寸小于預(yù)期，但出現(xiàn)在參照特征的外部。這表明，零件的總輪廓陰影存在縮放差異，可通過(guò)提高縮放因子、打印和再鑄造來(lái)校正。
以往的鑄造工藝改進(jìn)研究讓我們了解了如何對(duì)建議標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行調(diào)整，并將X、Y、Z軸調(diào)整為不均勻縮放因子，分別為2.2%、2.3%、2.7％，并再次打印了蠟?zāi)?，提供給鑄造廠。
通過(guò)對(duì)精度彌補(bǔ)模具檢查，我們得出有關(guān)模具到零件工藝的一些結(jié)論：
?精度縮放模具的結(jié)果超出了鑄造廠的預(yù)期。
?縮放校正零件的整體尺寸合規(guī)性提升了約14%。
?隨著精度的提高，可減少至少一次主加工工序。
?降低了零件總生產(chǎn)成本。
?可進(jìn)行進(jìn)一步分析，了解進(jìn)一步提高精度是否可以減少整體加工工序。
結(jié)論
效率是維持利潤(rùn)、減少人工和生產(chǎn)周期中產(chǎn)生浪費(fèi)的關(guān)鍵。借助Artec 3D Space Spider和Geomagic Control X，我們能夠通過(guò)分析工業(yè)的每個(gè)階段，來(lái)改善制造零件的總體質(zhì)量，并盡可能減少調(diào)整周期和迭代次數(shù)。使用高質(zhì)量3D掃描和掃描原生工業(yè)檢查軟件這一整體解決方案，可減少迭代和猜測(cè)，節(jié)省時(shí)間和金錢，并加快產(chǎn)品上市時(shí)間。
縮放誤差截面分析
鑄模零件成品
鑄模成品分析
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