1 Метод исследования

1.1 Структура проектирования

Рабочий процесс был структурирован для изоляции вклада каждого этапа производства: аддитивное формование, обработка на станках с ЧПУ и финишная обработка. Для обеспечения чувствительности к геометрическим отклонениям был выбран цилиндрический тестовый компонент со ступенчатыми плечами и внутренними каналами. Все производственные параметры оставались постоянными в ходе повторных испытаний для обеспечения воспроизводимости.

1.2 Источники данных

Данные о размерах и поверхности были получены с 30 образцов, изготовленных при идентичных настройках процесса. Измерения проводились с помощью координатно-измерительной машины (КИМ), лазерного конфокального микроскопа и встроенных в процесс датчиков, регистрирующих температуру и нагрузку на шпиндель. Выбор этих устройств был основан на простоте их калибровки и способности воспроизводить точность измерений в разных сеансах.

1.3 Оборудование и модели

• 3D-принтер: SLM-система, волоконный лазер 200 Вт, толщина слоя 30 µм
• Станок с ЧПУ: 5-осевой обрабатывающий центр с автоматической компенсацией инструмента
• Инструменты для финишной обработки: Фрезерная головка CBN, абразивный алмазный материал
• Модель данных: Регрессионные модели для прогнозирования отклонений, проверенные с помощью повторного дисперсионного анализа (ANOVA)
• Все параметры, используемые на этапах обработки и финишной обработки, перечислены в Приложении A для обеспечения полной экспериментальной воспроизводимости.

2 Результаты и анализ

2.1 Точность размеров

Таблица 1 показывает среднее отклонение размеров в трех условиях.
Гибридные образцы сохраняли отклонение ниже ±0,015 мм, по сравнению с ±0,042 мм для деталей, полученных только аддитивным способом. Это улучшение соответствует исследованиям, сообщающим, что перераспределение материала во время постобработки компенсирует эффекты послойного накопления тепла [1].

2.2 Шероховатость поверхности

Гибридная финишная обработка снизила Ra в среднем с 12,4 µм до 1,8 µм, что обобщено в Рисунке 1. Этап финишной обработки устранил частично сплавленные частицы и уменьшил ступенчатые артефакты.

2.3 Эффективность процесса

Анализ времени цикла показывает сокращение общего времени обработки на 23% по сравнению с традиционной субтрактивной обработкой. Журналы нагрузки на инструмент показали снижение крутящего момента шпинделя на 9–12% из-за меньшего припуска на обработку, оставшегося после аддитивного предварительного формования.

2.4 Сравнительная интерпретация

Перекрестная ссылка с более ранними исследованиями [2,3] показывает, что улучшение размеров соответствует ожиданиям для гибридного производства. Однако величина улучшения качества поверхности выше, чем сообщалось ранее, вероятно, из-за усовершенствованного контроля температуры на аддитивном этапе.

3 Обсуждение

3.1 Интерпретация результатов

Результаты показывают, что гибридные рабочие процессы компенсируют термическую нестабильность, типичную для сплавления металлического порошка. Припуск на обработку, заложенный в печатную геометрию, эффективно удаляет зоны деформации, вызванные нагревом. Более низкая нагрузка на инструмент предполагает снижение механического напряжения на режущих кромках, что способствует стабильности времени цикла.

3.2 Ограничения

Исследование было сосредоточено на одной геометрии и металлическом сплаве. Результаты могут варьироваться в зависимости от более сложных внутренних структур или материалов с различными характеристиками коэффициента теплового расширения. Кроме того, был оценен только один тип инструмента для финишной обработки.

3.3 Практические последствия

Отрасли, требующие быстрых итераций, такие как робототехника, аэрокосмические компоненты и специализированные медицинские устройства, могут извлечь выгоду из гибридного производства для достижения точности без полных субтрактивных рабочих процессов. Сокращение времени обработки особенно актуально для мелкосерийных заказов.

4 Заключение

Интегрированный подход, сочетающий 3D-печать, обработку на станках с ЧПУ и финишную обработку поверхности, улучшает точность размеров и однородность поверхности при одновременном сокращении времени цикла. Рабочий процесс устраняет геометрические искажения, вызванные аддитивным производством, и поддерживает более жесткие требования к допускам. Дальнейшая работа может включать исследование многокомпонентных материалов, адаптивных траекторий обработки и оптимизацию процесса на основе модели.