1 Metoda badawcza

1.1 Ramy projektowe

Przepływ pracy został zorganizowany w celu wyizolowania wkładu każdego etapu produkcji — formowania addytywnego, obróbki CNC i wykańczania. Wybrano cylindryczny komponent testowy ze schodkowymi kołnierzami i kanałami wewnętrznymi, aby zapewnić wrażliwość na odchylenia geometryczne. Wszystkie parametry produkcyjne były utrzymywane na stałym poziomie w powtarzanych próbach, aby zapewnić powtarzalność.

1.2 Źródła danych

Dane wymiarowe i powierzchniowe uzyskano z 30 próbek wyprodukowanych w identycznych ustawieniach procesowych. Pomiary wykonano za pomocą współrzędnościowej maszyny pomiarowej (CMM), konfokalnego mikroskopu laserowego i wbudowanych w proces czujników, które rejestrowały temperaturę i obciążenie wrzeciona. Wybór tych urządzeń oparto na ich łatwości kalibracji i zdolności do odtwarzania dokładności pomiarów w różnych sesjach.

1.3 Sprzęt i modele

• Drukarka 3D: System SLM, laser światłowodowy 200 W, grubość warstwy 30 µm
• Maszyna CNC: 5-osiowe centrum obróbcze z automatyczną kompensacją narzędzi
• Narzędzia wykańczające: Głowica frezarska CBN, diamentowe media ścierne
• Model danych: Modele regresji do przewidywania odchyleń, walidowane za pomocą powtarzanych pomiarów ANOVA
• Wszystkie parametry użyte w krokach obróbki i wykańczania są wymienione w Załączniku A, aby zapewnić pełną powtarzalność eksperymentu.

2 Wyniki i analiza

2.1 Dokładność wymiarowa

Tabela 1 pokazuje średnie odchylenie wymiarowe w trzech warunkach.
Próbki hybrydowe utrzymywały odchylenie poniżej ±0,015 mm, w porównaniu do ±0,042 mm dla części wytwarzanych tylko addytywnie. Ta poprawa jest zgodna z badaniami donoszącymi, że redystrybucja materiału podczas obróbki po obróbce kompensuje efekty warstwowego gromadzenia ciepła [1].

2.2 Chropowatość powierzchni

Wykończenie hybrydowe zmniejszyło Ra ze średniej 12,4 µm do 1,8 µm, jak podsumowano w Rysunek 1. Etap wykańczania wyeliminował częściowo stopione cząstki i zredukował artefakty schodkowe.

2.3 Efektywność procesu

Analiza czasu cyklu wskazuje na 23% redukcję całkowitego czasu przetwarzania w porównaniu z konwencjonalną obróbką ubytkową. Zapisy obciążenia narzędzi wykazały spadek momentu obrotowego wrzeciona o 9–12% ze względu na mniejszy naddatek obróbkowy pozostawiony po wstępnym formowaniu addytywnym.

2.4 Interpretacja porównawcza

Krzyżowe odniesienie do wcześniejszych badań [2,3] pokazuje, że poprawa wymiarowa jest zgodna z oczekiwaniami dla produkcji hybrydowej. Jednak wielkość poprawy jakości powierzchni jest wyższa niż wcześniej zgłaszano, prawdopodobnie ze względu na udoskonaloną kontrolę temperatury na etapie addytywnym.

3 Dyskusja

3.1 Interpretacja wyników

Wyniki pokazują, że hybrydowe przepływy pracy kompensują niestabilność termiczną typową dla topienia proszków metali. Naddatek obróbkowy zaprojektowany w geometrii drukowanej skutecznie usuwa strefy deformacji wywołane ciepłem. Niższe obciążenie narzędzia sugeruje zmniejszone naprężenia mechaniczne na krawędziach skrawających, przyczyniając się do stabilności czasu cyklu.

3.2 Ograniczenia

Badanie skupiono na pojedynczej geometrii i stopie metalu. Wyniki mogą się różnić w przypadku bardziej złożonych struktur wewnętrznych lub materiałów o różnych współczynnikach rozszerzalności cieplnej. Dodatkowo oceniono tylko jeden typ narzędzia wykańczającego.

3.3 Implikacje praktyczne

Branże wymagające szybkich iteracji — takie jak robotyka, komponenty lotnicze i niestandardowe urządzenia medyczne — mogą skorzystać z produkcji hybrydowej, aby osiągnąć precyzję bez pełnych przepływów pracy ubytkowej. Redukcja czasu obróbki jest szczególnie istotna w przypadku małoseryjnych zamówień niestandardowych.

4 Wnioski

Zintegrowane podejście łączące drukowanie 3D, obróbkę CNC i wykańczanie powierzchni poprawia dokładność wymiarową i spójność powierzchni, jednocześnie skracając czas cyklu. Przepływ pracy rozwiązuje zniekształcenia geometryczne spowodowane produkcją addytywną i wspiera węższe wymagania tolerancji. Przyszłe prace mogą obejmować komponenty wielomateriałowe, adaptacyjne ścieżki narzędzi wykańczających i optymalizację procesów opartą na modelu.