1 Μέθοδος Έρευνας

1.1 Πλαίσιο Σχεδιασμού

Η ροή εργασίας δομήθηκε για να απομονώσει τη συνεισφορά κάθε σταδίου κατασκευής—προσθετική διαμόρφωση, μηχανική κατεργασία CNC και φινίρισμα. Ένα κυλινδρικό εξάρτημα δοκιμής με βαθμιδωτούς ώμους και εσωτερικά κανάλια επιλέχθηκε για να εξασφαλιστεί η ευαισθησία στην γεωμετρική απόκλιση. Όλες οι παράμετροι κατασκευής διατηρήθηκαν σταθερές σε επαναλαμβανόμενες δοκιμές για να εξασφαλιστεί η αναπαραγωγιμότητα.

1.2 Πηγές Δεδομένων

Διαστασιακά και επιφανειακά δεδομένα ελήφθησαν από 30 δείγματα που παρήχθησαν υπό πανομοιότυπες ρυθμίσεις διεργασίας. Οι μετρήσεις ελήφθησαν με ένα μηχάνημα μέτρησης συντεταγμένων (CMM), ένα μικροσκόπιο λέιζερ confocal και ενσωματωμένους αισθητήρες διεργασίας που κατέγραψαν τη θερμοκρασία και το φορτίο του ατράκτου. Η επιλογή αυτών των συσκευών βασίστηκε στην ευκολία βαθμονόμησής τους και στην ικανότητά τους να αναπαράγουν την ακρίβεια μέτρησης σε όλες τις συνεδρίες.

1.3 Εξοπλισμός και Μοντέλα

• 3D Εκτυπωτής: Σύστημα SLM, λέιζερ ινών 200 W, πάχος στρώματος 30 µm
• Μηχανή CNC: Κέντρο μηχανικής κατεργασίας 5 αξόνων με αυτόματη αντιστάθμιση εργαλείων
• Εργαλεία Φινιρίσματος: Κεφαλή φρεζαρίσματος CBN, διαμαντένια λειαντικά μέσα
• Μοντέλο Δεδομένων: Μοντέλα παλινδρόμησης για πρόβλεψη απόκλισης, επικυρωμένα μέσω ANOVA επαναλαμβανόμενων μετρήσεων
• Όλες οι παράμετροι που χρησιμοποιήθηκαν στα στάδια μηχανικής κατεργασίας και φινιρίσματος παρατίθενται στο Παράρτημα Α για να εξασφαλιστεί η πλήρης πειραματική αναπαραγωγιμότητα.

2 Αποτελέσματα και Ανάλυση

2.1 Διαστασιακή Ακρίβεια

Πίνακας 1 δείχνει τη μέση διαστασιακή απόκλιση στις τρεις συνθήκες.
Τα υβριδικά δείγματα διατήρησαν μια απόκλιση κάτω από ±0.015 mm, σε σύγκριση με ±0.042 mm για εξαρτήματα μόνο προσθετικής κατασκευής. Αυτή η βελτίωση ευθυγραμμίζεται με μελέτες που αναφέρουν ότι η ανακατανομή υλικού κατά τη διάρκεια της μηχανικής κατεργασίας αντισταθμίζει τις επιπτώσεις της συσσώρευσης θερμότητας στρώμα προς στρώμα [1].

2.2 Τραχύτητα Επιφάνειας

Το υβριδικό φινίρισμα μείωσε το Ra από μέσο όρο 12.4 µm σε 1.8 µm, όπως συνοψίζεται στο Σχήμα 1. Το στάδιο φινιρίσματος εξάλειψε τα μερικώς συγχωνευμένα σωματίδια και μείωσε τα τεχνουργήματα σκαλοπατιών.

2.3 Αποτελεσματικότητα Διεργασίας

Η ανάλυση του χρόνου κύκλου δείχνει μείωση 23% στον συνολικό χρόνο επεξεργασίας σε σύγκριση με τη συμβατική αφαιρετική μηχανική κατεργασία μόνο. Τα αρχεία φόρτωσης εργαλείων έδειξαν μείωση 9–12% στη ροπή του ατράκτου λόγω του μικρότερου επιδόματος μηχανικής κατεργασίας που έμεινε μετά την προσθετική προδιαμόρφωση.

2.4 Συγκριτική Ερμηνεία

Η διασταυρούμενη αναφορά με προηγούμενη έρευνα [2,3] δείχνει ότι η διαστασιακή βελτίωση ευθυγραμμίζεται με τις προσδοκίες για την υβριδική κατασκευή. Ωστόσο, το μέγεθος της βελτίωσης της ποιότητας της επιφάνειας είναι υψηλότερο από ό,τι αναφέρθηκε προηγουμένως, πιθανώς λόγω του βελτιωμένου ελέγχου της θερμοκρασίας στο στάδιο της προσθετικής κατασκευής.

3 Συζήτηση

3.1 Ερμηνεία των Ευρημάτων

Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι οι υβριδικές ροές εργασίας αντισταθμίζουν τη θερμική αστάθεια που είναι τυπική για τη σύντηξη μεταλλικής σκόνης. Το επίδομα μηχανικής κατεργασίας που σχεδιάστηκε στη γεωμετρία εκτύπωσης αφαιρεί αποτελεσματικά τις ζώνες παραμόρφωσης που προκαλούνται από τη θερμότητα. Το χαμηλότερο φορτίο εργαλείου υποδηλώνει μειωμένη μηχανική καταπόνηση στις κοπτικές ακμές, συμβάλλοντας στη σταθερότητα του χρόνου κύκλου.

3.2 Περιορισμοί

Η μελέτη επικεντρώθηκε σε μια ενιαία γεωμετρία και κράμα μετάλλου. Τα αποτελέσματα ενδέχεται να διαφέρουν με πιο σύνθετες εσωτερικές δομές ή υλικά με διαφορετικές συμπεριφορές συντελεστή θερμικής διαστολής. Επιπλέον, αξιολογήθηκε μόνο ένας τύπος εργαλείου φινιρίσματος.

3.3 Πρακτικές Επιπτώσεις

Οι βιομηχανίες που απαιτούν γρήγορες επαναλήψεις—όπως η ρομποτική, τα εξαρτήματα αεροδιαστημικής και οι προσαρμοσμένες ιατρικές συσκευές—μπορούν να επωφεληθούν από την υβριδική κατασκευή για να επιτύχουν ακρίβεια χωρίς πλήρεις αφαιρετικές ροές εργασίας. Η μείωση του χρόνου μηχανικής κατεργασίας είναι ιδιαίτερα σημαντική για παραγγελίες κατά παραγγελία μικρής παρτίδας.

4 Συμπέρασμα

Η ολοκληρωμένη προσέγγιση που συνδυάζει την 3D εκτύπωση, τη μηχανική κατεργασία CNC και το φινίρισμα επιφανειών βελτιώνει τη διαστασιακή ακρίβεια και τη συνοχή της επιφάνειας, μειώνοντας παράλληλα τον χρόνο κύκλου. Η ροή εργασίας αντιμετωπίζει τη γεωμετρική παραμόρφωση που προκαλείται από την προσθετική κατασκευή και υποστηρίζει αυστηρότερες απαιτήσεις ανοχής. Η μελλοντική εργασία μπορεί να διερευνήσει εξαρτήματα πολλαπλών υλικών, προσαρμοσμένες διαδρομές εργαλείων φινιρίσματος και βελτιστοποίηση διεργασίας με βάση το μοντέλο.