Tin tức

Sản xuất bồi đắp vs Sản xuất trừ vật liệu: Khi nào nên dùng phương pháp nào cho chi tiết CNC

Việc lựa chọn giữa sản xuất bồi đắp (AM) và sản xuất tách lớp (SM) không phải là vấn đề công nghệ nào mới hơn, mà là công nghệ nào đáp ứng được hình dạng chi tiết, tính chất vật liệu và chi phí theo yêu cầu ở mức sản lượng cần thiết. Đối với các đợt sản xuất trên 100 đơn vị, gia công CNC tách lớp gần như luôn là lựa chọn đúng đắn nhờ độ chính xác kích thước vượt trội (±0,005 mm), độ lặp lại và chất lượng bề mặt (Ra 0,4 µm). Sản xuất bồi đắp chiếm ưu thế cho các bản mẫu thử nghiệm, cấu trúc mắt cáo bên trong và các đợt sản xuất số lượng ít dưới 50 đơn vị, nơi chi phí lãng phí vật liệu và chi phí dụng cụ chi phối quyết định. Bài viết này cung cấp một khung định lượng để các kỹ sư lựa chọn giữa hai mô hình sản xuất này.

Tính chất vật liệu và tính toàn vẹn kết cấu

Sản xuất tách lớp bảo toàn cấu trúc vi mô ban đầu của vật liệu rèn, nghĩa là các tính chất cơ học vẫn đẳng hướng và nhất quán với các bảng dữ liệu vật liệu đã công bố. Ví dụ, nhôm 6061-T6 được gia công từ thanh vật liệu giữ nguyên giới hạn chảy 310 MPa và độ bền kéo 570 MPa mà không cần bất kỳ xử lý sau gia công nào. Sản xuất bồi đắp, đặc biệt là nung chảy chùm tia bột (PBF), tạo ra các chi tiết dị hướng với các vùng nóng chảy theo từng lớp. Inconel 718 ở trạng thái in thô được sản xuất bằng PBF laser thường cho thấy độ bền mỏi thấp hơn 20-30% so với vật liệu rèn, cần phải ép đẳng tĩnh nóng (HIP) ở 1120°C và 100 MPa để khôi phục các tính chất.

Kích thước chi tiết tối đa cũng khác biệt đáng kể. Các trung tâm gia công CNC tại BQUQ xử lý các chi tiết có kích thước lên đến 2000 mm x 800 mm x 600 mm bằng nhôm và thép. Các máy bồi đắp kim loại (ví dụ: SLM 500) có thể tích xây dựng khoảng 500 mm x 280 mm x 365 mm. Đối với các giá đỡ kết cấu lớn, vỏ máy hoặc đế tản nhiệt, phương pháp tách lớp là lựa chọn thực tế duy nhất. AM polymer (SLS hoặc MJF) có thể đạt 380 mm x 330 mm x 460 mm, nhưng các chi tiết này thiếu hiệu suất nhiệt và cơ học của kim loại gia công.

Khả năng dung sai và chất lượng bề mặt

Khoảng cách về độ chính xác kích thước giữa AM và SM vẫn còn đáng kể mặc dù đã có những tiến bộ trong kiểm soát quy trình bồi đắp. Dung sai gia công CNC tiêu chuẩn tại BQUQ là ±0,025 mm cho các đặc điểm chung và ±0,005 mm cho các bề mặt mài chính xác. Ngược lại, các chi tiết AM kim loại thường giữ được ±0,1 mm đến ±0,2 mm ở trạng thái in thô, chỉ đạt ±0,05 mm sau khi gia công tinh bằng CNC. Độ nhám bề mặt cũng theo mô hình tương tự: bề mặt gia công đạt Ra 0,4 µm đến Ra 0,8 µm, trong khi bề mặt AM ở trạng thái in thô dao động từ Ra 6 µm đến Ra 12 µm do các hạt bột kim loại nóng chảy một phần.

Đối với các bề mặt tiếp xúc, bề mặt làm kín, cổ trục ổ đỡ hoặc lỗ ren, gia công tách lớp là bắt buộc. Một ren được phay vào chi tiết AM đòi hỏi lỗ phải được gia công quá cỡ và sau đó gia công lại, điều này làm mất đi sự tự do hình học của việc in. Quy tắc thực tế là: nếu một đặc điểm cần kết nối với một bộ phận khác, hãy gia công nó. Nếu một đặc điểm chỉ tồn tại để giảm trọng lượng hoặc làm kênh làm mát bên trong, hãy in nó.

Phân tích chi phí ở các mức sản lượng khác nhau

Điểm giao nhau kinh tế giữa AM và SM phụ thuộc vào chi phí thiết lập, chi phí vật liệu và thời gian chu kỳ mỗi chi tiết. Đối với gia công CNC, thiết lập bao gồm lập trình CAD/CAM (2-6 giờ), đồ gá (50-300 USD) và dụng cụ cắt (20-150 USD). Chi phí mỗi chi tiết tỷ lệ với thời gian gia công (80-120 USD mỗi giờ) và tỷ lệ sử dụng vật liệu. Đối với AM, chi phí chi phối là thời gian máy (30-80 USD mỗi giờ cho PBF kim loại), vật liệu bột (60-120 USD mỗi kg cho titan, 30-50 USD mỗi kg cho nhôm) và xử lý sau (tháo kết cấu đỡ, khử ứng suất, HIP).

Bảng sau đây cho thấy chi phí đại diện cho một giá đỡ nhôm 100 mm x 60 mm x 20 mm với bốn lỗ lắp và một vách ngăn dày 5 mm:

Điểm giao nhau rất rõ ràng: trên 10 đến 20 đơn vị, gia công CNC trở nên tiết kiệm chi phí vượt trội. Sản xuất bồi đắp chỉ cạnh tranh khi hình dạng chi tiết không thể gia công được, chẳng hạn như các kênh làm mát phù hợp trong lõi khuôn hoặc giá đỡ hàng không vũ trụ được tối ưu hóa topo.

So sánh thời gian giao hàng cho mẫu thử và sản xuất

Đối với một chi tiết mẫu thử duy nhất, AM mang lại con đường nhanh hơn để xác nhận vật lý. Một chi tiết AM kim loại có thể được in trong 1 đến 3 ngày bao gồm thiết lập build và xử lý sau. Gia công CNC cùng một chi tiết đòi hỏi lập trình (0,5 ngày), mua vật liệu (1-2 ngày) và gia công (0,5 ngày), tổng cộng 2 đến 3 ngày. Thời gian giao hàng hội tụ ở khoảng 5 đơn vị. Đối với các đợt sản xuất, gia công CNC luôn nhanh hơn vì nhiều chi tiết có thể được gia công tuần tự với thay đổi thiết lập tối thiểu, trong khi các build AM bị giới hạn bởi thể tích build của máy và thời gian in từng lớp.

Tại BQUQ, thời gian giao hàng gia công CNC tiêu chuẩn là 3-5 ngày cho mẫu thử và 10-15 ngày cho đơn hàng sản xuất 500-5000 chiếc. Các dịch vụ bồi đắp thường báo giá 5-7 ngày cho bản in mẫu thử nhưng 3-4 tuần cho số lượng sản xuất do lịch trình theo lô. Đối với các yêu cầu khẩn cấp, gia công CNC với kho vật liệu nội bộ (6061, 7075, 304, 316, 4140, POM, PTFE) cho phép bắt đầu ngay trong ngày.

Quy tắc thiết kế cho sản xuất cho từng quy trình

Sản xuất tách lớp yêu cầu các nhà thiết kế phải tôn trọng khả năng tiếp cận của dụng cụ, độ dày thành tối thiểu và bán kính góc trong. Độ dày thành tối thiểu cho nhôm gia công CNC là 0,8 mm, thép là 0,5 mm và nhựa là 1,0 mm. Các góc trong phải có bán kính ít nhất bằng một phần ba đường kính dụng cụ; một dao phay ngón 6 mm để lại bán kính 3 mm. Các túi sâu có tỷ lệ độ sâu trên chiều rộng trên 4:1 yêu cầu dụng cụ đặc biệt và làm tăng chi phí.

Sản xuất bồi đắp cho phép các kênh bên trong, cấu trúc mắt cáo và các phần cắt ngược, nhưng áp đặt các ràng buộc riêng. Độ dày thành tối thiểu cho AM kim loại là 0,4 mm, đường kính lỗ tối thiểu là 0,5 mm và các phần nhô không được đỡ trên 45 độ yêu cầu kết cấu đỡ phải được loại bỏ sau đó. Việc loại bỏ bột khỏi các kênh bên trong yêu cầu các cổng tiếp cận có đường kính ít nhất 3 mm. Khi thiết kế cho AM, kỹ sư cũng phải xem xét rằng xử lý nhiệt (khử ứng suất ở 350-650°C cho nhôm, 980-1060°C cho thép) là bắt buộc để ngăn ngừa biến dạng.

Phương pháp kết hợp: Kết hợp cả hai quy trình

Chiến lược hiệu quả nhất cho các bộ phận phức tạp là kết hợp AM và SM. In một phôi gần đúng hình dạng cuối cùng với các kênh làm mát bên trong hoặc cấu trúc mắt cáo, sau đó gia công CNC các bề mặt tiếp xúc quan trọng, lỗ ren và các đặc điểm chuẩn. Phương pháp kết hợp này nắm bắt được sự tự do hình học của AM trong khi đạt được độ chính xác của gia công tách lớp. Một chi tiết kết hợp điển hình có chi phí cao hơn 60-70% so với chi tiết gia công hoàn toàn nhưng cho phép hiệu suất mà không quy trình nào có thể đạt được một mình.

Ví dụ, một bộ tản nhiệt cho mô-đun IGBT công suất cao có thể được in với các dãy pin-fin bên trong (không thể phay được), sau đó bề mặt lắp ghép được gia công đến Ra 0,8 µm và độ phẳng 0,02 mm để tiếp xúc nhiệt phù hợp. BQUQ thường xuyên thực hiện quy trình kết hợp này cho khách hàng điện tử công suất, sử dụng năng lực CNC nội bộ cho bước gia công tinh.

Kết luận và khuyến nghị thực tế

Chọn sản xuất tách lớp khi chi tiết của bạn yêu cầu dung sai chặt chẽ dưới ±0,05 mm, có các bề mặt tiếp xúc, lớn hơn 300 mm ở bất kỳ kích thước nào, hoặc yêu cầu sản lượng trên 50 đơn vị. Chọn sản xuất bồi đắp khi chi tiết có các kênh bên trong, cấu trúc mắt cáo hoặc hình dạng hữu cơ không thể gia công được, khi bạn cần một mẫu thử duy nhất trong vòng 48 giờ, hoặc khi lãng phí vật liệu là yếu tố chi phí quan trọng đối với các hợp kim đặc biệt như titan. Đối với hầu hết các bộ phận công nghiệp, gia công CNC vẫn là lựa chọn mặc định do chi phí, tốc độ và độ tin cậy.

Để có đánh giá chính xác cho chi tiết cụ thể của bạn, hãy gửi cho chúng tôi bản vẽ 2D hoặc tệp STEP 3D. BQUQ cung cấp dịch vụ báo giá trong 12 giờ với phản hồi DFM chi tiết, bao gồm gia công CNC, dập kim loại, lò xo và bộ tản nhiệt. 20 năm kinh nghiệm sản xuất tại Đông Quản của chúng tôi đảm bảo bạn nhận được khuyến nghị quy trình tiết kiệm chi phí nhất. Gửi yêu cầu của bạn đến sc@bquq.com hoặc liên hệ với chúng tôi qua WhatsApp tại +86 13713157787. Truy cập www.bquq.com để xem xét năng lực và chứng nhận vật liệu của chúng tôi.

Bài Viết Liên Quan

• Gia công kết hợp tiện-phay, Máy tiện-phay kết hợp, Gia công tạo hình một lần, Trung tâm tiện-phay trục B, Tích hợp đa quy trình, Gia công chi tiết tròn xoay phức tạp, Gia công chính xác thiết bị y tế
• Công nghệ cắt tốc độ cao: Nguyên tắc, tối ưu hóa đường dẫn công cụ và ứng dụng công nghiệp
• Phân tích công nghệ cốt lõi của gia công liên kết 5 trục: Từ chuyển động đến sản xuất bề mặt cong chính xác cao