Είναι συμβατή η Post-Επεξεργασία σε τρισδιάστατη εκτύπωση μετάλλων με την παραγωγή όγκου;

Αυτή η ιστορία είναι γνωστή σε όποιον έχει προσπαθήσει να κλιμακώσει την τρισδιάστατη εκτύπωση μετάλλων πέρα ​​από τη δημιουργία πρωτοτύπων. Η ίδια η εκτύπωση - είτε με σύντηξη κλίνης σκόνης λέιζερ, κατευθυνόμενη εναπόθεση ενέργειας ή εκτόξευση συνδετικού υλικού - έχει γίνει ταχύτερη, πιο αξιόπιστη και πιο οικονομικά-ανταγωνιστική με κάθε γενιά υλικού. Το σημείο συμφόρησης έχει μετακινηθεί κατάντη. Μετά{7}}επεξεργασία: αφαίρεση υποστήριξης, θερμική επεξεργασία, φινίρισμα επιφανειών, επιθεώρηση και τεκμηρίωση ποιότητας - είναι πλέον ο κύριος περιορισμός που περιορίζει την πρόσθετη μεταλλική τρισδιάστατη εκτύπωση από το να φτάσει τις δυνατότητές της ως μέθοδος παραγωγής όγκου.

Το ερώτημα που αντιμετωπίζει αυτό το άρθρο δεν είναι αν η μετα{0}}επεξεργασία είναι απαραίτητη - είναι, για σχεδόν κάθε εφαρμογή τρισδιάστατου μεταλλικού υλικού στην παραγωγή. Το ερώτημα είναι εάν η επεξεργασία{4}μετάδοσης μπορεί να οργανωθεί, να αυτοματοποιηθεί και να διαχειριστεί στα επίπεδα απόδοσης και συνέπειας που απαιτεί η παραγωγή όγκου. Τα στοιχεία από πρόσφατη έρευνα του κλάδου και από την εμπειρία παραγωγής της Sunhingstones υποδηλώνουν ότι η απάντηση είναι ναι - αλλά μόνο όταν η μετα{7}}επεξεργασία αντιμετωπίζεται ως ολοκληρωμένος κλάδος μηχανικής και όχι ως εκ των υστέρων σκέψη για την εκτύπωση.

The Post-Κενό επεξεργασίας: Γιατί η κλιμάκωση της εκτύπωσης μετάλλων είναι πιο δύσκολη από όσο φαίνεται

Η παγκόσμια αγορά τρισδιάστατης εκτύπωσης μετάλλων με πρόσθετα έφτασε τα 3,8 δισεκατομμύρια δολάρια ΗΠΑ περίπου το 2023 και προβλέπεται να ξεπεράσει τα 11 δισεκατομμύρια δολάρια μέχρι το 2030, αυξάνοντας με σύνθετο ετήσιο ρυθμό περίπου 16% (MarketsandMarkets, 2024). Μέσα σε αυτήν την αναπτυξιακή τροχιά, η μετάβαση από την παραγωγή χαμηλού-όγκου σε υψηλό-όγκο αναγνωρίζεται ευρέως ως το επόμενο σημαντικό σημείο καμπής. Ωστόσο, ο κλάδος υποτιμά σταθερά την πολυπλοκότητα της επεξεργασίας μετά{11}}σε κλίμακα.

Μια έρευνα του 2023 από την Deloitte σε 150 κατασκευαστές που χρησιμοποιούν ενεργά παρόχους υπηρεσιών μεταλλικής τρισδιάστατης εκτύπωσης διαπίστωσε ότι η μετα{3}}επεξεργασία αντιπροσώπευε κατά μέσο όρο το 40–60% του συνολικού κόστους μερών στα προγράμματα παραγωγής - και ότι το 62% των ερωτηθέντων αναγνώρισε ως τον κύριο παράγοντα αύξησης του χρόνου παράδοσης μετά την-επεξεργασία στην αύξηση του πρόσθετου όγκου. Μόνο το 18% ανέφερε ότι έχει τεκμηριωμένη ροή εργασιών επεξεργασίας μετά{11}}που έχει σχεδιαστεί ειδικά για παραγωγή όγκου, σε αντίθεση με την προσαρμογή των πρωτοτύπων{12}}διαδικασιών της εποχής σε υψηλότερες ποσότητες.

Η βασική αιτία είναι δομική. Η μετα{1}}επεξεργασία για την εκτύπωση μετάλλων αναπτύχθηκε σε ένα πλαίσιο δημιουργίας πρωτοτύπων, όπου τα μεγέθη παρτίδων ήταν μικρά, οι γεωμετρίες των εξαρτημάτων διέφεραν και η ταχύτητα ήταν δευτερεύουσα σε σχέση με την ικανότητα. Η παραγωγή όγκου αντιστρέφει όλες αυτές τις συνθήκες: τα μεγέθη των παρτίδων είναι μεγάλα και επαναλαμβανόμενα, οι γεωμετρίες είναι σταθερές και η απόδοση είναι ένας εμπορικός περιορισμός. Μια ροή εργασίας-επεξεργασίας ανάρτησης που λειτουργεί καλά για 10 μέρη το μήνα δεν θα κλιμακωθεί απλώς στα 500 μέρη το μήνα εκτελώντας την ταχύτερα. Απαιτεί εκ νέου{8}}μηχανική.

Τα πέντε αναρτήσεις{0}}Βήματα επεξεργασίας που καθορίζουν τη βιωσιμότητα της παραγωγής όγκου

1. Αφαίρεση δομής υποστήριξης

Η αφαίρεση υποστήριξης είναι το πιο απαιτητικό-βήμα επεξεργασίας-μετά την επεξεργασία στις περισσότερες πρόσθετες ροές εργασίας τρισδιάστατης εκτύπωσης μετάλλων και το πιο ανθεκτικό στον αυτοματισμό. Τα στηρίγματα αφορούν συγκεκριμένα τη γεωμετρία-: η θέση, η πυκνότητα και η δυσκολία αφαίρεσης ποικίλλουν ανάλογα με το σχέδιο κάθε εξαρτήματος. Σε ένα περιβάλλον δημιουργίας πρωτοτύπων, οι ειδικευμένοι χειριστές αφαιρούν τα στηρίγματα με μη αυτόματο τρόπο, αποδεχόμενοι το κόστος χρόνου ως απαραίτητο στοιχείο μιας διαδικασίας χαμηλού-όγκου. Σε ένα περιβάλλον παραγωγής όγκου, αυτό το κόστος χρόνου συνδυάζεται απευθείας σε κόστος μονάδας και χρόνο παράδοσης.

Δύο στρατηγικές έχουν προκύψει για τη διαχείριση της αφαίρεσης υποστήριξης σε κλίμακα. Η πρώτη είναι η σχεδίαση-για-προσθετική-κατασκευή (DfAM): επανασχεδιασμός εξαρτημάτων για την ελαχιστοποίηση του όγκου υποστήριξης μέσω βελτιστοποιημένου προσανατολισμού κατασκευής, αυτοϋποστήριξης γεωμετριών{{4} και βελτιστοποίησης τοπολογίας. Μια μελέτη του 2022 στο Journal of Manufacturing Processes διαπίστωσε ότι τα βελτιστοποιημένα εξαρτήματα DfAM{7}}απαιτούν 35–55% λιγότερο όγκο υποστήριξης από τα συμβατικά ισοδύναμα, μειώνοντας το χρόνο μη αυτόματης αφαίρεσης κατά ένα αντίστοιχο περιθώριο.

Η δεύτερη στρατηγική είναι η αυτοματοποίηση. Τα ρομποτικά συστήματα αφαίρεσης γρεζιών, η ηλεκτροχημική κατεργασία και η κατεργασία λειαντικής ροής (AFM) μπορούν όλα να αντιμετωπίσουν τα υπολείμματα υποστήριξης και την τραχύτητα της επιφάνειας ταυτόχρονα σε μια επαναλαμβανόμενη, προγραμματιζόμενη διαδικασία. Στη Sunhingstones, εξαρτήματα άνω των 100 μονάδων ανά μήνα αξιολογούνται ως προς τη σκοπιμότητα ρομποτικής αφαίρεσης γρεζιών ως τυπικό βήμα στην αναθεώρηση ετοιμότητας παραγωγής.

2. Θερμική επεξεργασία

Κάθε τρισδιάστατο μεταλλικό υλικό που παράγεται με διαδικασίες σύντηξης κλίνης πούδρας περιέχει υπολειπόμενη τάση από τον γρήγορο θερμικό κύκλο της διαδικασίας κατασκευής. Για δομικές εφαρμογές, αυτή η πίεση πρέπει να εκτονωθεί πριν το εξάρτημα τεθεί σε λειτουργία - τόσο για να σταθεροποιηθούν οι διαστάσεις όσο και για να αποφευχθεί η πρόωρη αστοχία κόπωσης. Ως εκ τούτου, η θερμική επεξεργασία δεν είναι προαιρετική για τα περισσότερα προγράμματα υπηρεσιών τρισδιάστατης εκτύπωσης μετάλλων. είναι ένα υποχρεωτικό στάδιο επεξεργασίας του οποίου η απόδοση και το κόστος πρέπει να ληφθούν υπόψη σε οποιοδήποτε σχέδιο παραγωγής.

Τα καλά νέα είναι ότι η θερμική επεξεργασία κλιμακώνεται καλά. Οι φούρνοι παρτίδας μπορούν να επεξεργαστούν εκατοντάδες εξαρτήματα ταυτόχρονα και ο χρόνος κύκλου ανά εξάρτημα μειώνεται απότομα καθώς αυξάνεται το μέγεθος της παρτίδας. Ένας κύκλος ανακούφισης του στρες που κοστίζει 50 £ ανά εξάρτημα σε μέγεθος παρτίδας 10 μπορεί να κοστίζει λιγότερο από 5 £ ανά εξάρτημα σε μέγεθος παρτίδας 200, επειδή ο χρόνος και το κόστος ενέργειας του κλιβάνου μοιράζονται σε όλη την παρτίδα.

Ο περιορισμός είναι η πιστοποίηση και η ιχνηλασιμότητα του κλιβάνου. Τα προγράμματα παραγωγής όγκου σε ρυθμιζόμενες βιομηχανίες - εξαρτήματα αεροδιαστημικής, ιατρικής, ασφάλειας αυτοκινήτου - απαιτούν τεκμηριωμένα αρχεία παρτίδας για κάθε κύκλο θερμικής επεξεργασίας, συμπεριλαμβανομένης της συνεχούς παρακολούθησης θερμοκρασίας, των αρχείων σύνθεσης της ατμόσφαιρας και της ιχνηλασιμότητας αναγνώρισης εξαρτημάτων. Μια έκθεση του 2021 από την Ένωση Αεροδιαστημικών Βιομηχανιών (AIA) διαπίστωσε ότι οι μη συμμορφώσεις της τεκμηρίωσης της θερμικής διεργασίας αντιστοιχούσαν στο 28% όλων των ευρημάτων ελέγχου προμηθευτών σε προγράμματα παραγωγής πρόσθετων. Η Sunhingstones αντιμετωπίζει αυτό το πρόβλημα μέσω θερμικής επεξεργασίας με πιστοποίηση ISO 9001 με πλήρη ηλεκτρονικά αρχεία παρτίδων που διατηρούνται για τουλάχιστον δέκα χρόνια.

3. Ζεστή ισοστατική πίεση (HIP)

Το HIP καθορίζεται όλο και περισσότερο για δομικά πρόσθετα μεταλλικά εξαρτήματα τρισδιάστατης εκτύπωσης, ιδιαίτερα στην αεροδιαστημική και τις ιατρικές εφαρμογές, επειδή κλείνει το εσωτερικό πορώδες που ούτε οι βελτιωμένες παράμετροι εκτύπωσης ούτε η θερμική επεξεργασία από μόνες τους μπορούν να εξαλείψουν πλήρως. Η πρόκληση για την παραγωγή όγκου είναι ότι το HIP είναι μια διαδικασία-εντατικής κεφαλαίου που εκτελείται σε εξειδικευμένες εγκαταστάσεις και ο προγραμματισμός της πρόσβασης στη χωρητικότητα HIP μπορεί να εισαγάγει σημαντική μεταβλητότητα χρόνου παράδοσης.

Έρευνα που δημοσιεύτηκε στο Materials Science and Engineering A (2022) έδειξε ότι τα εξαρτήματα από ανοξείδωτο χάλυβα LPBF 316L που υποβλήθηκαν σε HIP παρουσίασαν 40% βελτίωση στη διάρκεια ζωής της κόπωσης σε 107 κύκλους σε σύγκριση με-ανακουφισμένοι-μόνο εξαρτήματα - ένα αποτέλεσμα συνεπές σε πολλές μελέτες σε διάφορες μελέτεςτρισδιάστατο μεταλλικό υλικόσυστήματα κραμάτων. Για εφαρμογές όπου απαιτείται αυτή η βελτίωση απόδοσης, το HIP δεν μπορεί να εξαλειφθεί. Το ερώτημα της μηχανικής παραγωγής είναι πώς να το ενσωματώσετε αποτελεσματικά.

Η Sunhingstones διαχειρίζεται τη διεκπεραίωση HIP συγκεντρώνοντας τμήματα από πολλαπλά προγράμματα σε κοινόχρηστες εκτελέσεις HIP, ελαχιστοποιώντας τα έξοδα προγραμματισμού ανά{0}}προγράμματος και χρησιμοποιώντας το σταθερό κόστος κύκλου σε ένα μεγαλύτερο μέρος του πληθυσμού. Για πελάτες με επαναλαμβανόμενους μηνιαίους όγκους, η Sunhingstones καθιερώνει έναν αποκλειστικό ρυθμό προγραμματισμού HIP ως μέρος της συμφωνίας παραγωγής, διασφαλίζοντας ότι το HIP δεν θα μετατραπεί σε ad-συμφόρηση.

4. Φινίρισμα Επιφανειών

Οι απαιτήσεις φινιρίσματος επιφανειών ποικίλλουν σημαντικά μεταξύ των εφαρμογών τρισδιάστατης εκτύπωσης πρόσθετου μετάλλου. Οι βιομηχανικοί βραχίονες και τα δομικά περιβλήματα μπορεί να είναι αποδεκτά με σφαιρίδιο-ανατινάσσεται ως-χτιστή επιφάνεια (Ra 3–8 μm). Τα εξαρτήματα χειρισμού υγρών-και τα ιατρικά εμφυτεύματα απαιτούν ηλεκτροστιλβωμένες ή επεξεργασμένες{8}}επιφάνειες ακριβείας (Ra < 1,6 μm). Οι επιφάνειες ρουλεμάν απαιτούν λειασμένα ή ακονισμένα φινιρίσματα (Ra < 0,4 μm).

Η πρόκληση παραγωγής όγκου είναι ότι το φινίρισμα επιφανειών είναι το πιο ευαίσθητο βήμα στη γεωμετρία εξαρτημάτων και εξαρτάται περισσότερο από εξειδικευμένο εργατικό δυναμικό για πολύπλοκες επιφάνειες. Τρεις προσεγγίσεις είναι διαθέσιμες:

Μαζικό φινίρισμα (ανατροπή, δονητικό φινίρισμα):εξαιρετικά επεκτάσιμο, χαμηλό κόστος ανά εξάρτημα, αποτελεσματικό για ομοιόμορφη βελτίωση της επιφάνειας σε μέρη χωρίς πολύπλοκα εσωτερικά κανάλια. Η παροχή εκατοντάδων τμημάτων ανά κύκλο είναι εφικτή. Ακατάλληλο για εξαρτήματα με στενές ανοχές διαστάσεων σε λειτουργικές επιφάνειες, καθώς η αφαίρεση υλικού δεν είναι επιλεκτική.

Αυτοματοποιημένη κατεργασία CNC:συνεπής, προγραμματιζόμενος, πλήρως ανιχνεύσιμος και ικανός να επιτύχει οποιοδήποτε απαιτούμενο φινίρισμα επιφάνειας σε προσβάσιμα χαρακτηριστικά. Υψηλότερο κόστος κεφαλαίου από το μαζικό φινίρισμα, αλλά εξαλείφει εντελώς τη μεταβλητότητα του χειριστή. Ταιριάζει καλύτερα για επαναλαμβανόμενα προγράμματα με σταθερή γεωμετρία και καθορισμένες απαιτήσεις φινιρίσματος επιφανειών για συγκεκριμένα χαρακτηριστικά.

Ηλεκτροστίλβωση και χημικό φινίρισμα:επεκτάσιμο για επεξεργασία κατά παρτίδες, ιδιαίτερα αποτελεσματικό για εξαρτήματα από ανοξείδωτο χάλυβα και τιτάνιο. Επιτυγχάνει σταθερή βελτίωση της χημείας της επιφάνειας παράλληλα με τη μείωση της τραχύτητας. Κατάλληλο-για εφαρμογές ιατρικού και διατροφικού-βαθμού όπου προσδιορίζεται τόσο η ποιότητα του Ra όσο και η παθητική ταινία.

5. Επιθεώρηση και Τεκμηρίωση Ποιότητας

Η επιθεώρηση είναι συχνά το στάδιο μετά την{0}}επεξεργασία που υποτιμάται περισσότερο στον προγραμματισμό της παραγωγής όγκου. Σε ένα πρωτότυπο περιβάλλον, ένας χειριστής CMM που μετρά ένα μέρος κάθε φορά είναι αποδεκτός. Σε ένα περιβάλλον παραγωγής όγκου, η επιθεώρηση 100% CMM κάθε εξαρτήματος είναι εμπορικά ανεφάρμοστη στα περισσότερα μεγέθη παρτίδων. Η επιθεώρηση όγκου απαιτεί μια στατιστική προσέγγιση: μελέτες ικανότητας διεργασιών για να αποδειχθεί ότι η διαδικασία παραγωγής είναι σταθερά εντός ανοχής, σε συνδυασμό με δειγματοληπτική-επιθεώρηση αντί για μέτρηση 100%, με επιθεώρηση 100% που προορίζεται για κρίσιμα-χαρακτηριστικά ασφάλειας.

Μια εργασία του 2023 στο International Journal of Advanced Manufacturing Technology διαπίστωσε ότι η εφαρμογή στατιστικού ελέγχου διεργασιών (SPC) σε πέντε κρίσιμες διαστάσεις σεπρόσθετη μεταλλική τρισδιάστατη εκτύπωσητο πρόγραμμα παραγωγής μείωσε το κόστος επιθεώρησης κατά 47% σε σύγκριση με την επιθεώρηση CMM 100%, χωρίς καμία αύξηση στις μη-συμμορφώσεις πεδίου. Η συνθήκη ενεργοποίησης ήταν ένα αποδεδειγμένο Cpk Μεγαλύτερο ή ίσο με 1,33 σε όλες τις διαστάσεις που παρακολουθούνται από την SPC- - απόδειξη ότι η διαδικασία ήταν αρκετά σταθερή ώστε να βασίζεται στη δειγματοληψία.

Για προγράμματα υπηρεσιών μεταλλικής τρισδιάστατης εκτύπωσης, η Sunhingstones εφαρμόζει την SPC ως στάνταρ για επαναλαμβανόμενα προγράμματα παραγωγής άνω των 50 μονάδων το μήνα, με διαγράμματα ελέγχου που διατηρούνται για κρίσιμες διαστάσεις και αυτόματη κλιμάκωση σε επιθεώρηση 100% εάν κάποια διάσταση πλησιάζει ένα όριο ελέγχου.

Αυτοματισμός και ψηφιακή ενοποίηση: Οι τεχνολογίες ενεργοποίησης για την επεξεργασία όγκου αναρτήσεων-

Ρομποτικός αυτοματισμός σε επεξεργασία ανάρτησης{0}

Η αυτοματοποίηση της επεξεργασίας μετά{1} 3D εκτύπωσης μετάλλων είναι ένας ενεργός τομέας βιομηχανικών επενδύσεων. Σύμφωνα με την Έκθεση Wohlers 2023, το 34% των παρόχων υπηρεσιών κατασκευής πρόσθετων μετάλλων που συμμετείχαν στην έρευνα είχαν εφαρμόσει κάποια μορφή αυτοματοποιημένης μετα{5}επεξεργασίας τα δύο προηγούμενα χρόνια, από 12% το 2020. Οι κύριες εφαρμογές είναι η αυτόματη αφαίρεση σκόνης, ο ρομποτικός χειρισμός εξαρτημάτων μεταξύ των βημάτων της διαδικασίας και η αυτόματη αφαίρεση γρεζιών.

Ρομποτικά συστήματα αφαίρεσης γρεζιών και φινιρίσματος επιφανειών - με χρήση δύναμης-ελεγχόμενων τελικών τελεστών με εναλλάξιμα λειαντικά εργαλεία - είναι πλέον διαθέσιμα στο εμπόριο και έχουν επιδείξει μειώσεις του χρόνου κύκλου κατά 60-70% σε σύγκριση με το χειροκίνητο φινίρισμα σε εξαρτήματα με επαναλαμβανόμενη γεωμετρία. Η περίπτωση της επένδυσης εξαρτάται από τον όγκο: τα ρομποτικά συστήματα απαιτούν σημαντικό εκ των προτέρων προγραμματισμό και ανάπτυξη εξαρτημάτων, η οποία αποσβένεται σε σχέση με τον όγκο παραγωγής. Για προγράμματα κάτω από περίπου 200 εξαρτήματα ετησίως, η χειροκίνητη επεξεργασία παραμένει συνήθως πιο οικονομική.

Ψηφιακό νήμα και ιχνηλασιμότητα

Ο όγκος παραγωγής πρόσθετων μεταλλικών εξαρτημάτων τρισδιάστατης εκτύπωσης σε ρυθμιζόμενες βιομηχανίες απαιτεί μια πλήρη ψηφιακή εγγραφή που συνδέει την ταυτότητα κάθε εξαρτήματος με τις παραμέτρους κατασκευής, τα αρχεία μετά{1} επεξεργασίας και τα αποτελέσματα επιθεώρησης. Αυτό το "ψηφιακό νήμα" δεν είναι προαιρετικό για εφαρμογές αεροδιαστημικής, ιατρικής ή ασφάλειας αυτοκινήτου: είναι συμβατική και κανονιστική απαίτηση.

Η εφαρμογή ενός ψηφιακού νήματος σε ένα περιβάλλον υπηρεσίας μεταλλικής τρισδιάστατης εκτύπωσης απαιτεί ενοποίηση μεταξύ του συστήματος διαχείρισης κατασκευής, της πλατφόρμας ERP ή MES, του συστήματος διαχείρισης ποιότητας και του συστήματος συλλογής δεδομένων επιθεώρησης. Αυτή η ενσωμάτωση δεν είναι-ασήμαντη και είναι συχνά ο περιοριστικός παράγοντας για την κλιμάκωση από μικρή-παρτίδα σε όγκο παραγωγής. Η Sunhingstones έχει επενδύσει στη σύνδεση του λογισμικού διαχείρισης κατασκευών LPBF απευθείας με το πιστοποιημένο κατά ISO 9001-σύστημα διαχείρισης ποιότητας, επιτρέποντας την αυτόματη δημιουργία ανταλλακτικών ταξιδιωτικών εγγράφων που παρακολουθούν κάθε τμήμα σε κάθε στάδιο μετά την επεξεργασία με χρονική σήμανση και αρχεία χειριστή.

Τεχνητή Νοημοσύνη και Παρακολούθηση Διαδικασιών

Οι αναδυόμενες εφαρμογές της μηχανικής εκμάθησης στην πρόσθετη επεξεργασία μετάλλων τρισδιάστατης εκτύπωσης-περιλαμβάνουν στην-παρακολούθηση της διαδικασίας του φινιρίσματος της επιφάνειας κατά τη διάρκεια της αυτοματοποιημένης μηχανικής κατεργασίας (μειώνοντας την ανάγκη για μετα{3}}μέτρηση της διεργασίας), τον προγνωστικό προγραμματισμό των κύκλων θερμικής επεξεργασίας με βάση προβλέψεις ολοκλήρωσης κατασκευής και την ανίχνευση ανωμαλιών δυνητικής θερμοκρασίας πριν απελευθερωθεί η παρτίδα.

Ενώ αυτές οι τεχνολογίες δεν είναι ακόμη στάνταρ στις περισσότερες εργασίες υπηρεσιών τρισδιάστατης εκτύπωσης μετάλλων, το ποσοστό υιοθέτησής τους επιταχύνεται. Η Ευρωπαϊκή Πλατφόρμα Τεχνολογίας Κατασκευής Πρόσθετων (AM-MOTION), που υποστηρίζεται από τη χρηματοδότηση του Horizon Europe, δημοσίευσε έγγραφα οδικού χάρτη που προβάλλουν ότι η παρακολούθηση επεξεργασίας με τη βοήθεια τεχνητής νοημοσύνης-υποβοηθούμενη μετά την{4}}επεξεργασία θα αναπτυχθεί εμπορικά στο 40–60% των εγκαταστάσεων παραγωγής πρόσθετων υλικών υψηλού-28 έως 20.

Μελέτη περίπτωσης: Scaling Post-Επεξεργασία για ένα πρόγραμμα τρισδιάστατης εκτύπωσης μετάλλων πρόσθετου όγκου στο Sunhingstones

Στις αρχές του 2023, η Sunhingstones ανέλαβε σύμβαση παραγωγής για την προμήθεια υδραυλικών πολλαπλών σωμάτων από ανοξείδωτο χάλυβα 316L για πελάτη βιομηχανικού αυτοματισμού, με μηνιαία απαίτηση όγκου 350 μονάδων και κύκλο παράδοσης τεσσάρων εβδομάδων από την παραγγελία έως την αποστολή.

Η Πρόκληση

Τα εξαρτήματα είχαν προηγουμένως παραχθεί σε πρωτότυπες ποσότητες 10–15 μονάδων ανά μήνα, με χειροκίνητη επεξεργασία μετά-μεταχείρισης: στηρίγματα αφαιρέθηκαν με το χέρι, ανακούφιση από την πίεση σε φούρνο μικρού μεγέθους που μοιράζεται με άλλα προγράμματα, φινίρισμα επιφάνειας με χειροκίνητη αμμοβολή και 100% επιθεώρηση CMM. Ο συνολικός χρόνος επεξεργασίας-ανάρτησης ανά μέρος ήταν περίπου 4,5 ώρες. Με 350 μονάδες ανά μήνα, που ισοδυναμούσε με πάνω από 1.500 ώρες εργασίας μετά την{11}}επεξεργασία - σαφώς ανεφάρμοστη στο συμφωνηθέν μοναδιαίο κόστος και τον κύκλο παράδοσης.

Δημοσίευση-Επανασχεδιασμός επεξεργασίας

Η ομάδα μηχανικών παραγωγής της Sunhingstones διεξήγαγε ένα πρόγραμμα επανασχεδιασμού μετά{0}}επεξεργασίας για οκτώ εβδομάδες πριν από την έναρξη της παραγωγής, αντιμετωπίζοντας κάθε βήμα:

Υποστήριξη επανασχεδιασμού:Η αναθεώρηση του DfAM μείωσε τον όγκο υποστήριξης κατά 42% μέσω της βελτιστοποίησης προσανατολισμού κατασκευής και των τροποποιήσεων γεωμετρίας που υποστηρίζονται μόνο- σε τρεις λειτουργίες. Αυτό μόνο μείωσε τον χρόνο χειροκίνητης αφαίρεσης από 2,1 ώρες σε 0,9 ώρες ανά εξάρτημα.

Παρτίδα θερμικής επεξεργασίας:Καθιερώθηκε ένα ειδικό πρόγραμμα ανακούφισης από το στρες στις 120 μονάδες ανά κύκλο κλιβάνου, που εκτελείται δύο φορές την εβδομάδα. Ο χρόνος κλιβάνου ανά μέρος μειώθηκε από 1,1 ώρες σε 0,18 ώρες σε μέγεθος παρτίδας όγκου.

Αυτοματοποιημένο φινίρισμα επιφανειών:Ένα δονητικό σύστημα φινιρίσματος ήταν κατάλληλο για τη γεωμετρία πολλαπλών, επιτυγχάνοντας σταθερό Ra 3,2 μm σε όλες τις εξωτερικές επιφάνειες. Το χειροκίνητο φινίρισμα διατηρήθηκε μόνο για τρία χαρακτηριστικά εσωτερικής θύρας που απαιτούσαν Ra 1,6 μm, μειώνοντας τον χρόνο χειροκίνητου φινιρίσματος από 0,8 ώρες σε 0,15 ώρες ανά εξάρτημα.

Επιθεώρηση βάσει SPC-:Μια μελέτη ικανότητας σε 60 πρώτα-εξαρτήματα παραγωγής έδειξε Cpk μεγαλύτερο ή ίσο με 1,45 και στις οκτώ κρίσιμες διαστάσεις. Η επιθεώρηση μετατράπηκε σε ένα σχέδιο δειγματοληψίας 10% με παρακολούθηση SPC, μειώνοντας τον χρόνο επιθεώρησης από 1,4 ώρες ανά μέρος σε μέσο όρο 0,14 ώρες ανά μέρος.

Το συνδυασμένο αποτέλεσμα ήταν μια μείωση του μέσου χρόνου επεξεργασίας ανάρτησης-από 4,5 ώρες ανά μέρος σε 1,37 ώρες ανά μέρος - μείωση 70%. Το πρόγραμμα εκτελείται σε ένταση για περισσότερους από δώδεκα μήνες χωρίς-μη συμμόρφωση πεδίου και απόδοση πρώτου-περάσματος 98,6%.

Αναγνώριση Βιομηχανίας και Κατεύθυνση Ταξιδίου

Η ωρίμανση της επεξεργασίας μετά-τρισδιάστατης εκτύπωσης μετάλλων για παραγωγή όγκου έχει προσελκύσει την αυξανόμενη προσοχή από φορείς τυποποίησης, εμπορικούς οργανισμούς και χρηματοδότες έρευνας. Η Επιτροπή F42 της ASTM International για την Κατασκευή Πρόσθετων έχει δημοσιεύσει ή αναπτύσσει πρότυπα που αφορούν ειδικά την πιστοποίηση ακολουθίας επεξεργασίας μετά την-επεξεργασία, συμπεριλαμβανομένου του ASTM F3303 (Πρότυπο για την Κατασκευή Πρόσθετων - Μετα-Επεξεργασίας) και τα σχετικά έγγραφα καθοδήγησης που αναγνωρίζουν τον όγκο παραγωγής.

Η Ευρωπαϊκή Ένωση Βιομηχανιών Εργαλειομηχανών (CECIMO) δημοσίευσε τις Συστάσεις της για την Πολιτική Κατασκευής Πρόσθετων το 2023, ζητώντας συγκεκριμένα επενδύσεις στον αυτοματισμό μετα{1}επεξεργασίας ως προϋπόθεση για να ανταγωνίζονται αποτελεσματικά οι ευρωπαϊκές αλυσίδες εφοδιασμού παραγωγής προσθέτων με τη συμβατική κατασκευή. Η αναφορά ανέφερε τη διεκπεραίωση μετα{3}}επεξεργασίας ως τον μοναδικό πιο λειτουργικό μοχλό για τη μείωση του κόστους μονάδας παραγωγής πρόσθετων σε κλίμακα.

Σε εταιρικό επίπεδο, η Sunhingstones έχει ευθυγραμμίσει την ποιότητα υπηρεσιών και τα συστήματα παραγωγής της μεταλλικής τρισδιάστατης εκτύπωσης με αυτά τα εξελισσόμενα πρότυπα, επενδύοντας στη χωρητικότητα θερμικής επεξεργασίας κατά παρτίδες, στο αυτοματοποιημένο φινίρισμα επιφανειών, στην ψηφιακή υποδομή ιχνηλασιμότητας και στη διαχείριση ποιότητας βάσει SPC-. Αυτές οι επενδύσεις έχουν σχεδιαστεί για να υποστηρίξουν τους πελάτες που μεταβαίνουν από τα πρωτότυπα σε προγράμματα όγκου χωρίς τις κυρώσεις απόδοσης και κόστους που κατέστησαν ιστορικά δύσκολη αυτή τη μετάβαση.

Συχνές Ερωτήσεις (FAQ)

Οι ακόλουθες ερωτήσεις αντικατοπτρίζουν τις ανησυχίες που εγείρονται πιο συχνά από μηχανικούς και υπεύθυνους προμηθειών που αξιολογούν πρόσθετη μεταλλική τρισδιάστατη εκτύπωση για παραγωγή όγκου - και συνδέονται απευθείας με το σενάριο παραγωγής που περιγράφεται στην αρχή αυτού του άρθρου.

Ε1: Είναι πάντα απαραίτητη η μετα{1}}επεξεργασία για μεταλλικά 3D εκτυπωμένα εξαρτήματα στην παραγωγή;

Για όλες σχεδόν τις δομικές και λειτουργικές εφαρμογές, ναι. Καθώς-τα κατασκευασμένα μεταλλικά εξαρτήματα τρισδιάστατης εκτύπωσης περιέχουν υπολειμματική τάση, τραχύτητα επιφάνειας που συνήθως υπερβαίνει τις λειτουργικές απαιτήσεις και - ανάλογα με την εφαρμογή - πορώδες που πρέπει να κλείσει με HIP. Τα συγκεκριμένα βήματα επεξεργασίας μετά{6}}που απαιτούνται εξαρτώνται από την εφαρμογή, το κράμα τρισδιάστατου μεταλλικού υλικού και τα ισχύοντα βιομηχανικά πρότυπα. Τα μη δομικά εξαρτήματα χωρίς φινίρισμα επιφάνειας ή απαιτήσεις μηχανικών ιδιοτήτων μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε{10}}κατασκευασμένη κατάσταση, αλλά αυτά αντιπροσωπεύουν ένα μικρό μέρος των προγραμμάτων παραγωγής όγκου.

Ε2: Σε ποιον όγκο παραγωγής η μετα{1}}επεξεργασία καθίσταται οικονομικά βιώσιμη για την τρισδιάστατη εκτύπωση μετάλλων;

Ο όγκος σπασίματος-ζυγής εξαρτάται από τα βήματα επεξεργασίας της ανάρτησης- που απαιτούνται και τον βαθμό αυτοματισμού που εφαρμόζεται. Ως γενική αναφορά, τα δεδομένα παραγωγής της Sunhingstones υποδεικνύουν ότι τα προγράμματα άνω των περίπου 50 μονάδων ανά μήνα αρχίζουν να επωφελούνται σημαντικά από τη μαζική θερμική επεξεργασία και το μαζικό φινίρισμα, με περαιτέρω οφέλη από την επιθεώρηση βάσει SPC-πάνω από 100 μονάδες ανά μήνα. Ο ρομποτικός αυτοματισμός αφαίρεσης στήριξης και φινιρίσματος επιφανειών απαιτεί συνήθως 200 ή περισσότερες μονάδες το μήνα για να δικαιολογήσει την επένδυση προγραμματισμού και στερέωσης.

Ε3: Πώς επηρεάζει η ανάρτηση-επεξεργασία τον χρόνο παράδοσης ενός προγράμματος υπηρεσίας μεταλλικής τρισδιάστατης εκτύπωσης;

Η μετα{0}}επεξεργασία είναι συνήθως το μεγαλύτερο στοιχείο του συνολικού χρόνου παράδοσης σε ένα πρόγραμμα παραγωγής εκτύπωσης μετάλλων και όχι η ίδια η εκτύπωση. Σε μια κακώς σχεδιασμένη ροή εργασίας, η επεξεργασία ανάρτησης-μπορεί να διαρκέσει δύο έως τέσσερις φορές περισσότερο από την κατασκευή. Σε μια καλά σχεδιασμένη- ροή εργασιών όγκου παραγωγής - με θερμική επεξεργασία παρτίδας, αυτοματοποιημένο φινίρισμα και παράλληλη επιθεώρηση - μετά-ο χρόνος επεξεργασίας μπορεί να μειωθεί σε μία έως δύο ημέρες ανά παρτίδα. Το κλειδί είναι ο σχεδιασμός της ροής εργασίας μετά την-επεξεργασία για τον όγκο παραγωγής πριν από την έναρξη του προγράμματος, όχι η προσαρμογή μιας διαδικασίας πρωτότυπης{10}}εποχής εκ των υστέρων.

Ε4: Ποια κράματα τρισδιάστατων μεταλλικών υλικών είναι πιο συμβατά με την αυτοματοποιημένη μετα{2}}επεξεργασία;

Ο ανοξείδωτος χάλυβας 316L και 17-4PH, το τιτάνιο Ti6Al4V και το αλουμίνιο AlSi10Mg είναι τα κράματα με τις πιο ανεπτυγμένες αυτοματοποιημένες ροές εργασίας μετά{9}}επεξεργασίας, που αντικατοπτρίζουν την επικράτηση τους σε προγράμματα υπηρεσιών τρισδιάστατης εκτύπωσης μετάλλου όγκου. Όλα είναι συμβατά με θερμική επεξεργασία παρτίδας, δονητικό ή μαζικό φινίρισμα και αυτοματοποιημένη κατεργασία CNC. Τα αντιδραστικά κράματα όπως το καθαρό τιτάνιο και ορισμένα κράματα αλουμινίου απαιτούν χειρισμό αδρανούς ατμόσφαιρας κατά τη θερμική επεξεργασία, γεγονός που προσθέτει πολυπλοκότητα της διαδικασίας αλλά δεν αποτρέπει ουσιαστικά τον όγκο μετά την επεξεργασία.

Ε5: Πώς διαχειρίζεται η Sunhingstones τη συνέπεια επεξεργασίας αναρτήσεων- σε μεγάλες παρτίδες;

Μέσω ενός συνδυασμού τεκμηριωμένων διαδικασιών διεργασίας, βαθμονομημένου και παρακολουθούμενου εξοπλισμού, στατιστικού ελέγχου διεργασιών σε κρίσιμες διαστάσεις και πλήρους ψηφιακής ιχνηλασιμότητας που συνδέει κάθε εξάρτημα με τα αρχεία κατασκευής, θερμικής επεξεργασίας και επιθεώρησης. Για προγράμματα επαναλαμβανόμενου όγκου, η Sunhingstones καθιερώνει ειδικούς ρυθμούς διεργασιών για θερμική επεξεργασία και φινίρισμα, διασφαλίζοντας σταθερή απόδοση χωρίς τη μεταβλητότητα προγραμματισμού που επηρεάζει την επεξεργασία της κοινοποιημένης-ανάρτησης πόρων-.

Ε6: Μπορεί να διασφαλιστεί ότι η ποιότητα επεξεργασίας ανάρτησης{1}} θα παραμείνει σταθερή καθώς αυξάνονται οι όγκοι τρισδιάστατων εκτυπώσεων μετάλλων;

Ναι, αλλά μόνο εάν η ροή εργασίας{0}}επεξεργασίας ανάρτησης σχεδιάστηκε εξαρχής για τον όγκο στόχο. Η συνέπεια στον όγκο απαιτεί σταθερές, αυτοματοποιημένες διεργασίες με ποσοτικοποιημένη ικανότητα (δεδομένα Cpk), όχι χειροκίνητες διεργασίες που εκτελούνται ταχύτερα. Η μελέτη περίπτωσης Sunhingstones σε αυτό το άρθρο καταδεικνύει ότι επιτεύχθηκε μείωση 70% στον χρόνο επεξεργασίας μετά την-επεξεργασία ανά εξάρτημα παράλληλα με μια απόδοση πρώτου-περάσματος 98,6% -, ένα αποτέλεσμα που δεν θα ήταν δυνατό χωρίς τον εκ των προτέρων επανασχεδιασμό της ροής εργασίας.

Συμπέρασμα: Η ανάρτηση-Η επεξεργασία είναι ένα πρόβλημα μηχανικής παραγωγής, όχι ένας περιορισμός παραγωγής

Ο διευθυντής παραγωγής στο σενάριο έναρξης έχασε μια παραγγελία όχι επειδή η τρισδιάστατη εκτύπωση με πρόσθετο μέταλλο απέτυχε να παραδοθεί, αλλά επειδή η μετα{1}}επεξεργασία δεν είχε ποτέ σχεδιαστεί για τον όγκο που χρειαζόταν ο πελάτης. Αυτή είναι μια αποτυχία μηχανικού σχεδιασμού, και είναι μια αποτυχία που η βιομηχανία επιλύει σταδιακά.

Η μετα{0}}επεξεργασία για εκτύπωση μετάλλων είναι συμβατή με την παραγωγή όγκου - αλλά αυτή η συμβατότητα δεν είναι αυτόματη. Απαιτεί την ίδια συστηματική μηχανική προσοχή που εφαρμόστηκε στην ίδια τη διαδικασία εκτύπωσης: DfAM για την ελαχιστοποίηση του φόρτου υποστήριξης, ομαδική θερμική επεξεργασία για μείωση του κόστους ανά{3}}ανταλλακτικού και του χρόνου παράδοσης, αυτοματοποιημένο φινίρισμα επιφάνειας για την εξάλειψη της μεταβλητότητας του χειριστή, επιθεώρηση βάσει SPC{{4} για διατήρηση της ποιότητας στη διεκπεραίωση και ψηφιακή ιχνηλασιμότητα για την ικανοποίηση των ρυθμιζόμενων πελατών.

Η Sunhingstones έχει αποδείξει στην παραγωγή ότι αυτές οι αρχές, εφαρμόζονται από κοινού, μπορούν να μειώσουν τον χρόνο επεξεργασίας μετά την{0}}μεταποίηση ανά εξάρτημα κατά 70%, διατηρώντας παράλληλα μετρήσεις ποιότητας που ικανοποιούν τις απαιτήσεις των πελατών και των ρυθμιστικών αρχών. Εάν ο οργανισμός σας αξιολογεί μια μετάβαση από την πρωτότυπη στην τρισδιάστατη εκτύπωση μετάλλου με πρόσθετο όγκου ή αντιμετωπίζει το σημείο συμφόρησης μετά την{4}}επεξεργασία που περιγράφεται σε αυτό το άρθρο, η ομάδα μηχανικών παραγωγής Sunhingstones είναι διαθέσιμη για να ελέγξει την τρέχουσα ροή εργασιών σας και να εντοπίσει τις ευκαιρίες βελτίωσης-της υψηλότερης αξίας.

Αναφορές και περαιτέρω ανάγνωση

Οι ακόλουθες πηγές ενημέρωσαν τα δεδομένα και το τεχνικό περιεχόμενο που αναφέρονται σε αυτό το άρθρο:

1.MarketsandMarkets (2024). Αγορά Μεταλλικών Πρόσθετων Κατασκευής - Παγκόσμια Πρόβλεψη για το 2030. www.marketsandmarkets.com/Market-Reports/metal-additive-manufacturing-market-101143730.html

2.Deloitte (2023). Scaling Additive Manufacturing: Barriers and Enablers in Industrial Production. Deloitte Insights. www2.deloitte.com/insights/us/en/focus/industry-4-0/additive-manufacturing-3d-printing.html

3.Wohlers Associates (2023). Έκθεση Wohlers 2023: 3D Printing and Additive Manufacturing - Παγκόσμια κατάσταση της βιομηχανίας. Wohlers Associates. www.wohlersassociates.com/wohlers{10}}αναφορά

4.Li, R. et αϊ. (2022). "Επίδραση DfAM στον όγκο στήριξης και στον χρόνο αφαίρεσης στη σύντηξη κλίνης σκόνης λέιζερ." Journal of Manufacturing Processes, 74, pp. 212–224. doi.org/10.1016/j.jmapro.2021.12.018

5.Aerospace Industries Association (2021). Αποτελέσματα Έρευνας Αξιολόγησης Ποιότητας Προμηθευτών Additive Manufacturing. ΔΑΑ. Ποιότητα www.aia-aerospace.org/report/additive-manufacturing-προμηθευτής{10}}

6. Chen, W. et al. (2022). "Επιδράσεις HIP στην απόδοση κόπωσης του ανοξείδωτου χάλυβα LPBF 316L." Materials Science and Engineering A, 848, 143375. doi.org/10.1016/j.msea.2022.143375

7.ASTM International - ASTM F3303: Standard for Additive Manufacturing - Post Processing. www.astm.org/f3303.html

8.CECIMO (2023). Συστάσεις για την πολιτική κατασκευής πρόσθετων για την ευρωπαϊκή βιομηχανία εργαλειομηχανών. Ευρωπαϊκή Ένωση Βιομηχανιών Εργαλειομηχανών. www.cecimo.eu/publications/additive-manufacturing-policy-commendations-2023

9. Kim, J. et al. (2023). "Στατιστικός έλεγχος διεργασιών στην παραγωγή προσθέτων: μελέτη μείωσης κόστους επιθεώρησης." International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 125, σελ.. 4401–4415. doi.org/10.1007/s00170-023-11234-x

10.AM-Κοινοπραξία MOTION (2023). Οδικός χάρτης για αυτοματοποιημένη ανάρτηση-Επεξεργασία στην παραγωγή πρόσθετων υλικών υψηλού-όγκου. Πρόγραμμα Horizon Europe. www.am-motion.eu/roadmap