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日本三菱：高精度點(diǎn)陣成型3D打印新技術(shù)

發(fā)布時(shí)間:2019-01-14 瀏覽:

南極熊導(dǎo)讀：我們來(lái)看看日本工業(yè)巨頭三菱的3D打印技術(shù)布局和現(xiàn)狀。

2018年10月底，南極熊從外媒獲悉，三菱電機(jī)宣布開(kāi)發(fā)出獨(dú)特的點(diǎn)陣成型增材制造技術(shù)，通過(guò)在3D打印機(jī)中結(jié)合激光，計(jì)算機(jī)數(shù)控（CNC）和計(jì)算機(jī)輔助制造CAM技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高精度成型。

該技術(shù)采用激光定向能量沉積（DED）方法，這是一種增材制造工藝，其中聚焦的熱能在材料沉積時(shí)熔化它們。

DED工藝類(lèi)似于材料擠出的過(guò)程，但是在DED 3D打印方法中，供應(yīng)材料顆粒或線(xiàn)材的噴嘴安裝在多軸臂上。它可以在多個(gè)方向上移動(dòng)，而不是固定到特定軸，并且可以從任何角度將進(jìn)給供應(yīng)到目標(biāo)表面上。然后，該模型逐層地從底部到頂部構(gòu)建在表面上。通過(guò)控制進(jìn)給速率和金屬線(xiàn)或顆粒沉積在表面上的角度來(lái)控制3D模型的形狀。

DED專(zhuān)門(mén)用于打印金屬和合金的3D模型，并且常用于修復(fù)和維護(hù)結(jié)構(gòu)部件。該技術(shù)可高速的生成高質(zhì)量的3D零件。三菱電機(jī)認(rèn)為，其新技術(shù)將在各種應(yīng)用中提高生產(chǎn)率，例如飛機(jī)和汽車(chē)零件的近凈成型和堆積修復(fù)，以及空心和懸垂形狀。該技術(shù)還可以與使用其他制造方法生產(chǎn)的部件串聯(lián)使用。

新技術(shù)使用普通且相對(duì)便宜的激光焊絲。新技術(shù)提供的另一個(gè)好處是顯著提高了精度，因?yàn)榕c連續(xù)成型技術(shù)相比，形狀精度提高了60％。與傳統(tǒng)技術(shù)相比，傳統(tǒng)技術(shù)的問(wèn)題氧化可以減少20％以上，因?yàn)楦邷貐^(qū)域限于窄點(diǎn)形成區(qū)域。

三菱電機(jī)預(yù)計(jì)在截至2021年3月的財(cái)政年度內(nèi)推出商業(yè)版點(diǎn)陣成型技術(shù)。

三菱電機(jī)將在第29屆日本國(guó)際機(jī)床展覽會(huì)（JIMTOF2018）上展示新技術(shù)，這是一項(xiàng)為期6天的活動(dòng)，將于11月1日至2018年11月6日在東京國(guó)際展覽中心舉行。

2016年6月，南極熊在東京參加日本工業(yè)展期間看到日本三菱公司的展位，據(jù)南極熊了解，三菱電機(jī)研究實(shí)驗(yàn)室（MERL）正在使用5軸增材制造技術(shù)——也就是一些人所謂的5D打印——來(lái)制造強(qiáng)度要比常規(guī)3D打印強(qiáng)3至5倍的部件。

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從戰(zhàn)斗機(jī)到液晶電視，日本跨國(guó)企業(yè)三菱幾乎涉足了電子和電氣設(shè)備的幾乎每個(gè)領(lǐng)域。該公司在世界各地運(yùn)營(yíng)，但是有一些最重要的研究活動(dòng)實(shí)際上是在美國(guó)發(fā)生的。比如MERL就是該公司設(shè)在美國(guó)的一個(gè)重要的研究機(jī)構(gòu)。

作為一家業(yè)務(wù)多元化的公司，三菱當(dāng)然也涉足了3D打印技術(shù)：兩年前，該公司重工業(yè)部門(mén)宣布，它將考慮用增材制造技術(shù)打造火箭部件。不過(guò)現(xiàn)在，MERL的正在致力于完善一種特別的3D打印方法，如果成功，將能夠幫助該公司制造出適合關(guān)鍵應(yīng)用的更強(qiáng)部件。

這種特別的方法就是所謂的五軸增材制造，它在3D打印頭運(yùn)動(dòng)的X/Y/Z 3個(gè)軸之外又增加了兩個(gè)軸來(lái)控制打印床的運(yùn)動(dòng)，也就是打印床可以來(lái)回傾斜，從而把總軸數(shù)增加到了5個(gè)。另外，這些5軸3D打印機(jī)運(yùn)行方式也與我們常見(jiàn)的3D打印機(jī)不同，不再整齊地將一層層材料平整地堆疊起來(lái)。。

MERL高級(jí)首席研究科學(xué)家William Yerazunis最近做了一個(gè)實(shí)驗(yàn)來(lái)展示5軸增材制造的好處在哪里。這位三菱的專(zhuān)家首先使用標(biāo)準(zhǔn)的3D打印機(jī)（只有三個(gè)軸）打印出了一個(gè)小型塑料壓力蓋。由于其均勻的分層結(jié)構(gòu)，這個(gè)3D打印的蓋子明顯弱于注塑制品。這個(gè)蓋子的所有層都是平的，壓力很容易沿著薄弱的層間結(jié)合處將蓋子扯開(kāi)。”Yerazunis 解釋說(shuō)。

然而，Yerazunis仍然使用同樣的3D打印機(jī)和材料就有效地提高了3D打印部件的強(qiáng)度。其中的秘密在于采用五軸增材制造的改變了每層的沉積方法。為了證明這一點(diǎn)，Yerazunis和他的研究團(tuán)隊(duì)接著使用他們的“5D打印”方法使用相同的CAD模型，制造了相同的壓力蓋，卻獲得了更強(qiáng)的結(jié)構(gòu)。“如果我們考慮到來(lái)自?xún)?nèi)部的力量，并將沉積的每層材料從平面改成沿著壓力蓋最大應(yīng)力線(xiàn)的曲面，我們就可以將它強(qiáng)度提高到3到5倍，而且使用的材料也減少了25%。”Yerazunis說(shuō)。

不出所料，5D打印的壓力蓋要比3D打印同樣形狀的壓力蓋要好的多：3D打印壓力蓋能夠抵抗大約0.1MPa的壓力，而5軸增材制造的壓力蓋則能夠承受3.7MPa的壓力。這就大幅增加了強(qiáng)度，同時(shí)減少了材料的使用。

“不過(guò)5D打印確實(shí)需要進(jìn)行大量的分析，而且它需要知道打印部件的用途。”Yerazunis說(shuō)。“但當(dāng)你可以用它將一個(gè)部件的強(qiáng)度增加五倍的話(huà)，為此做出一些改變還是值得的。”

三菱重工機(jī)床公司在第28屆日本國(guó)際機(jī)床展（11月17～22日于東京有明國(guó)際會(huì)展中心舉行）上，展出了該公司參加新一代3D積層造型技術(shù)綜合開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)（TRAFAM）后，作為國(guó)家項(xiàng)目的一環(huán)開(kāi)發(fā)的金屬3D打印機(jī)的一次試制機(jī)。此次主要展示的是截至2015年度的開(kāi)發(fā)成果，同時(shí)也介紹了目前正在研發(fā)的課題。硬件已基本完成，目前重點(diǎn)正在轉(zhuǎn)向旨在實(shí)現(xiàn)最佳造型的軟件開(kāi)發(fā)。

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? ? 三菱重工機(jī)床攜金屬3D打印機(jī)亮相日本機(jī)床展

三菱重工機(jī)床開(kāi)發(fā)的是激光金屬沉積（LMD）方式的3D打印機(jī)，是在吹附金屬粉的同時(shí)用激光束使金屬粉熔融然后凝固。該3D打印機(jī)可利用5軸控制進(jìn)行積層造型，并在這一過(guò)程中通過(guò)5軸切削加工進(jìn)行精加工。造型速度方面，每小時(shí)積層體積最大可達(dá)到360mL。可使用多種材料，還對(duì)銅與Inconel718、銅與馬氏體時(shí)效鋼、Inconel718與馬氏體時(shí)效鋼等各種材料搭配的多層積層進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。

2016年日本工業(yè)展三菱的展位

在2016年6月22日南極熊全程直播報(bào)道了2016日本工業(yè)展（3D打印展）。其中就有三菱重工的展位，就是在展會(huì)上南極熊了解到三菱重工正在研發(fā)五軸3d打印機(jī)。作為一家業(yè)務(wù)多元化的公司，三菱當(dāng)然也涉足了3D打印技術(shù)：兩年前，該公司重工業(yè)部門(mén)宣布，它將考慮用增材制造技術(shù)打造火箭部件。不過(guò)現(xiàn)在，MERL的正在致力于完善一種特別的3D打印方法，如果成功，將能夠幫助該公司制造出適合關(guān)鍵應(yīng)用的更強(qiáng)部件。這種方法應(yīng)該就是指——五軸金屬3d打印技術(shù)。

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模仿渦輪等部件的造型樣品是在圓柱狀不銹鋼（SUS304）的外側(cè)用Inconel718形成了葉片。展示了兩種葉片形狀的樣品，一種是從葉片根部到前端呈錐狀變細(xì)，另一種是將同一截面呈柱狀堆積。前者為使層厚保持固定，必須要逐層改變路徑的設(shè)定，難度較大。目前三菱重工機(jī)床正在對(duì)相關(guān)路徑設(shè)定方法等積累經(jīng)驗(yàn)，并將這些經(jīng)驗(yàn)導(dǎo)入到軟件中。