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挑战杯特等奖:3D打印增减巧结合

来源:记者团 点击次数:4956次 发布时间:2015-12-19 10:54:22 编辑:王思远 见习编辑 常璇

  ■记者团 雷雨薇 兰婕


  《中国制造2025》报告中提出,3D打印和高档数控机床的自主研发推广是当前重点。而当前现实是:3D打印难以满足表面精度的要求,数控加工则难以实现复杂结构一体化加工。


  为解决上述问题,Focus团队和迅睿尔团队在机械学院年轻教师张俐指导下将二者结合,通过复合加工路径自动生成及自动换刀技术实现两种加工交替进行;并设计了双层多孔粘性夹具,实现复杂结构零件在两种加工方式下的一次装夹,稳定夹持。


  他们的成果《面向高精度一体化结构的数控加工/3D打印复合设备》也在第十四届“挑战杯”中航工业全国大学生课外学术科技作品竞赛中斩获特等奖,并成为全省唯一一个特等奖。



 增材制造与减材制造的巧妙结合


  3D打印建立在3D打印相关的软件基础上,零件生产后对材料进行逐层叠加,每层都具有相关的路径规划。例如,打印一个边角较方的多边形,打印过程中就会沿着模型的边一圈圈“走”,遇到内部的孔洞时就在此处绕行。


  数控铣削则首先需要识别模型外部的相关数据,选择好要加工的相关表面,然后对这个表面要加工的路径和加工厚度进行规划。可以说,3D打印与数控加工,一个是用以“增材”,一个是用以“减材”。


  虽然3D打印和数控加工受到极大关注,但当前国内外一些制作较为粗糙的机器基本上是采用利用一套3D打印软件、一套数控加工软件分别进行加工的加工方法,而这就需要每次对加工件进行重新定位。如果定位不准确,后期加工就有可能会出现较大的误差。


  Focus团队和迅睿尔团队则通过重新设计软件将这两种加工方法集成到了一起,并且实现了刀具的自动转换,完成3D打印-数控加工-再3D打印的交替加工过程,将增材制造与减材制造巧妙地结合到了一起。


  另外,3D打印件往往外形更为复杂,普通夹具往往难以稳定夹持。基于此,团队采用底部双层多孔式平台设计,通过注入粘性材料,控制温度改变材料黏度,在粘性材料冷却时实现零件稳固夹持,在粘性材料温度较高时,则可以实现零件热熔分离,巧妙解决了数控加工过程中复杂形貌零件稳定夹持的难题。


  队长吕攀表示,校赛时由于时间限制等因素,加工范围比较有限,项目成果与团队最初设想的目标相差很多。于是在省赛时,他们重新设计了方案以实现五轴加工,并对刀具转换、零件夹持等机构都进行了优化。为了完成项目中最重要也是最困难的一环——交替加工,团队对机械结构、软件还有控制板、固件等都重新进行了方案设计。


  “这个项目的发展前景看好,继续完善会是很好的发展方向。”指导老师张俐如是说。据悉,适用于具有高精度、一体化要求的复杂结构加工,此设备在研究院所,工业园区,实验室,设计公司等都具有很好的推广前景。



付出让我们无愧于荣誉


  团队成员丁小天说,在设备研发过程中,他们也遇到许多困难。“最大困难就是时间不够用。因为这个项目是从零开始的,所以难度很大,而且时间要求非常紧。”比赛答辩期间正值我校期中考试周,他们顶着双重压力日夜奋斗。他在国赛将近之时有整整两周没有回过宿舍,但他认为, “和大家一起并不会觉得特别辛苦。”


  对丁小天来说,研发设备过程中最大的挑战来自于各种不确定因素。在去广州参赛时,运输过程中设备的亚克力板遭到了损坏,他们不得不在到达之后重新购买,加工之后再安装在设备上。


  11月18日在广东科学中心参加正式答辩时,他们甚至遇到了仅一个上午就断电五次的情况,而这也使他们的打印过程不停地中断,好在与工作人员进行了数次交涉后,情况终于得到了改善。在不断地发现问题与解决问题的过程中,面对突发事件,他们的心态越来越稳定,反应也越来越沉着,并最终以优异的表现赢得了大家的赞赏。


  回忆起从参加校赛到最后“挑战杯”获奖的这段时光,他们都笑着表示应该是苦中作乐。他们曾开玩笑地根据各自负责的不同版块将大家划分为“三工”——软工、电工和钳工。在今年11月11日,他们还用自己研发的设备为自己打出爱心作为双十一送给自己的礼物,虽然最后成品被队员王郑亚送给了舍友。用发热的电机烤红薯、用热床加热牛奶……他们在看似枯燥艰难的研发过程中开拓着属于自己的小小快乐。


  被问到得知比赛结果的心态时,机械学院12级学生隋腾杰觉得是平静。“一路走来我们付出了很多努力,我认为这是我们应得的。”吕攀也对此表示了认同:结果对我们来说已经不重要了,反而是这个过程让我收获了更多。