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3D打印大型切削工具，輕量化優勢為機加工行業帶來變革

2022-04-21

在數控加工（CNC）行業中，對較大工件的加工需要用到較大、較重的切削工具。切削工具多是采用傳統的粉末冶金方法制成，但在涉及到尺寸較大的、復雜結構的工件時，其生產成本也會相應增加。為了復雜大尺寸工件成型難的問題，制造商們將目光轉向了增材制造。

2022年4月16日，南極熊獲悉，國外制造商Star SU Neher公司采用3D打印技術生產出了輕質的、擁有多功能的大型工具件，并提高工具使用壽命和性能。

隨著航空航天和汽車等終端市場對大型零件需求量增加，對大型切削工具的需求也越來越大。電動汽車尤其如此，它的定子外殼可能超過230毫米。但更大的切削工具意味著重量的增加，這可能導致一系列問題，包括主軸損壞、工具從主軸上掉下來和增加噪音。為了避免這些問題，制造商可能不得不投資于具有特殊設計的主軸接口的機床，這些擔憂也導致航空航天業制定了限制切削工具重量的準則。

△StarSU Neher公司正在使用3D打印技術來減輕其中一些刀具的重量。照片由Star SU Neher公司提供

為了解決刀具重量增加帶來的設備易損壞問題，Star SU Neher采用了另一種方法：3D打印切削刀具，不僅使大型銑刀符合重量要求，而且確保它們的性能和壽命超過更多的傳統同類產品。

CNC行業內工具的生產大多數3D打印工具都是單體設計（刀柄集成在刀體中以增加剛性），用于鉸孔、圓插、銑削和面銑操作。Star SU公司的圓形工具銷售經理Jamie Dunneback說，這些工具可以變得很大很復雜，有不同的形式，可以加工更大的特征。Neher集團的刀具設計師Christian Matheis說，增加蜂窩狀的內部晶格結構可以使這些刀具的重量減輕30%，而不會影響到扭轉強度。

雖然該公司3D打印了一些標準的工具體（如NEHMO長壽命系列，可以定制不同的邊緣幾何形狀），但99%的3D打印工具是定制的。Matheis解釋說："我們根據零件的需要來設計每一個工具。所有的3D打印都是在Neher在德國的工廠完成的，它使用DMG MORI Lasertec 30 Dual選擇性激光熔化（SLM）系統來生產鈦、鋁、鋼和不銹鋼材質的工具件。“

△在選擇性激光熔化（SLM）系統上3D打印刀具

刀具輕量化帶來的效益除了使切削工具符合航空航天工業的要求外，輕量化還能帶來一系列的好處。首先，它們對機床來說變得更容易加工。Dunneback解釋說：“它減少了預防性維護，特別是在主軸上。另外，較輕的切削工具不太可能從主軸上掉下來，這是一個很大的問題，特別是對于臥式加工中心。它們的噪音也更小，有助于用戶滿足OSHAA噪音要求，而且它們可以在更廣泛的機床上運行。例如，帶有HSK 63主軸接口的機床不能運行需要HSK 100接口的重型切削工具。然而，相同刀具的3D打印版本可能足夠輕，適合HSK 63接口。”

△通過在工具體上增加內部網格結構，工具設計者可以在保持扭轉強度的同時減輕多達30%的重量。

Matheis表示，對3D打印的NEHMO Long Life面銑刀具的測試也表明，與傳統生產的刀具相比，刀具壽命提高了40%之多。這部分是因為3D打印允許制造商能夠在切削工具上添加優化的冷卻劑通道。傳統上，切削工具中的冷卻劑通道是鉆孔的，這限制了它們的設計，因此也限制了它們的有效性。3D打印的工具可以加入通道，更有效地將冷卻劑輸送到切削刃上。Matheis說，改進后的冷卻液流可以使金屬去除率提高30%，它可以幫助用戶實現最小量潤滑（MQL）。

3D打印工具還具有更好的平衡性，這進一步延長了工具的使用壽命。據Matheis說，這部分是由于3D打印工藝的準確性和增加一個被動衰減器的可能性。

此外，3D打印使工具設計者能夠增加有助于排屑的功能。Matheis說，內部冷卻劑通道可以將切屑沖過工具并排出工作區。在工具設計中加入導屑器可以進一步幫助排屑。

△除了輕量化，3D打印使工具設計者能夠添加優化的通道，直接控制冷卻劑流向切削刃。該公司表示，這可以使刀具壽命提高40%，金屬去除率提高30%，同時幫助用戶實施最輕量的潤滑

由于零件的一次性，3D打印很適合定制工具。據Matheis說，3D打印不一定比傳統機械加工快（一個占據整個打印床的大型工具體需要大約24小時才能生產出來，而幾個較小的工具體也可以在一個批次中打印出來），但它確實減少了所需的機器和工序。傳統加工的刀具主體需要銑削和車削，而3D打印工具體的后處理通常僅限于將PCD尖端釬焊到工具體中，并對切削刃進行激光或侵蝕。

Dunneback說，3D打印工具的釬焊刀片與傳統加工的切削工具一樣，可以進行多次修復。而且，即使是在德國打印的工具，也可以在公司位于北美的工廠進行修復。他說："我們在密歇根州法明頓山有一個工廠，可以快速修復或改變刀具。“

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