一种3D金属打印零件后处理自动去支撑打磨装置

摘要：随着3D金属打印技术的快速发展，其在制造业中的应用逐渐扩大，尤其在航空航天、汽车、医疗等高精度领域取得了广泛应用。然而3D金属打印后的后处理过程，如去支撑和打磨，依然是提高零件质量和生产效率的重要环节。传统手工操作不仅效率低，而且容易损伤零件。为解决这一问题，本研究设计了一种自动去支撑打磨装置，旨在提升金属3D打印零件的后处理效率与精度。

关键词：3D金属打印，自动化，去支撑，打磨，机器人控制

1. 引言

随着3D打印技术的快速发展，金属3D打印已成为现代制造业的重要技术之一。与传统的制造方法相比，金属3D打印能够直接根据计算机设计模型制造复杂的零件，极大地提高了设计自由度和制造灵活性，尤其在航空航天、汽车、医疗等高精度领域得到了广泛应用。3D金属打印通过逐层堆积金属粉末或线材的方式实现零件的制造，这种制造方式不仅可以大幅减少材料浪费，还能够实现传统加工难以完成的复杂结构。研究和开发高效的自动化去支撑打磨装置具有重要的意义，不仅能够提升金属3D打印零件的生产效率，还能降低成本，推动3D打印技术在工业生产中的广泛应用。

2. 3D金属打印零件的后处理技术

2.1去支撑与打磨的技术挑战

在金属3D打印零件的后处理过程中，支撑和打磨是至关重要的步骤，但这些工艺在实际操作中也面临着诸多技术难题。去支撑环节中，支撑结构的复杂性是一个主要挑战。金属3D打印技术往往会产生复杂的支撑结构，这些支撑点可能隐藏在零件的内腔、难以触及的角落等位置，这无疑增加了去支撑的难度。特别是在高精度零件的生产中，支撑结构的设计往往更为精细，这就要求去除支撑时必须非常精准，以确保零件的完整性和质量不受影响。手工去除支撑时，操作人员不仅需要具备高超的技术水平，还必须投入大量的时间和精力。此外，传统的手动去支撑方法容易导致零件表面受损，进而影响零件的精度和外观[1]。打磨过程同样面临挑战。金属3D打印零件的表面通常较为粗糙，需要通过打磨来去除表面的不均匀颗粒，以达到所需的光滑度。然而，打磨过程可能会对零件的形状和尺寸造成影响，尤其是对于那些具有复杂几何形状或细小结构的零件，人工打磨往往难以保证均匀性和精度。传统的打磨方法还可能导致零件表面过度磨损或不均匀打磨，从而影响零件的最终质量。因此，如何克服手工操作的局限性，开发出高效、精确的自动化去支撑和打磨技术，已经成为金属3D打印后处理领域亟待解决的重要课题。自动化去支撑和打磨技术的应用，不仅能够显著提升后处理的效率，减少人工劳动强度，还能在确保精度的同时，大幅提高生产的稳定性和一致性。

2.2自动化后处理的研究现状

近年来，随着3D打印技术的不断发展，自动化后处理技术得到了越来越多的关注。自动化去支撑和打磨技术在提高生产效率、降低成本和提升零件质量方面展现出了巨大的潜力。目前，许多研究和工业实践已经取得了一定的进展，自动化去支撑和打磨技术逐步走向成熟，且在多个领域得到了广泛应用。

首先，自动化去支撑技术得到了长足的发展。传统的手工去支撑方法不仅效率低，而且容易导致精度偏差。为了提高去支撑的效率和精度，许多自动化技术应运而生。机械切割和激光切割是目前常用的自动化去支撑方法[2]。机械切割通过精密的刀具对支撑材料进行切割，适用于较为简单的支撑结构；而激光切割则采用高能激光束，通过聚焦的激光能量去除支撑结构，具有更高的精度和速度，适用于复杂和难以接触的支撑点。除了这两种方法外，机器人去支撑技术也在快速发展。利用机器人臂配合视觉系统，能够自动识别零件上的支撑结构，并进行精准的去除。机器人系统能够根据不同的零件形状和支撑结构，选择合适的去支撑方法，从而实现完全自动化操作，提升生产效率。在自动化打磨方面，许多研究和企业已经开发了机器人辅助打磨系统。自动化打磨不仅能够减少人工操作，提高生产效率，还能确保打磨过程的均匀性和精度。振动打磨和砂带打磨是两种常见的自动化打磨技术，通过机械设备的持续振动或砂带的摩擦作用，去除零件表面粗糙的部分。

3.自动去支撑打磨装置设计与实现

自动去支撑打磨装置旨在提高3D打印后处理的效率和精度，减少人工操作，确保零件表面的光滑度和准确度如图一。系统设计包括去支撑模块、打磨模块和控制系统[3]。去支撑模块负责去除打印过程中使用的支撑结构，其技术可以选择机械切割、激光切割或化学溶解等方式。机械切割适用于硬度较高的支撑材料，激光切割则适合处理复杂几何形状的支撑，能够高效且精准地去除支撑材料，化学溶解则是针对水溶性支撑材料的一种温和方式，适用于对表面质量要求较高的零件。打磨模块用于去除打印件表面粗糙部分，常用的打磨方式包括振动打磨、砂带打磨和自动化手臂打磨。振动打磨适合处理大面积的表面，砂带打磨能够提供均匀的打磨效果，自动化手臂打磨则具有较高的精度，适合复杂形状的零件。控制系统是装置的“大脑”，负责协调去支撑和打磨模块的工作。常见的控制方式有PLC控制系统和机器人控制系统，其中PLC系统适用于功能较固定的设备，机器人控制系统则具有更高的灵活性和精度，能够通过传感器技术实时调整工作参数，提高系统的智能化水平。

在关键技术方面，去支撑模块的设计关键在于选择合适的技术方案，依据支撑材料和打印件的形状来决定使用哪种去支撑方式。激光切割和机械切割是常见的高效方法，它们能够有效地去除支撑并保持打印件的原貌。打磨模块的设计要保证表面质量，振动打磨适用于表面较大、形状简单的零件，砂带打磨则适合要求精度较高的表面，自动化手臂打磨能根据具体需求调整打磨的精度和力度，适用于复杂形状的零件。控制系统在自动去支撑打磨装置中至关重要，PLC系统能够提供可靠、稳定的控制，而机器人控制系统则通过力传感器和视觉传感器增强了设备的自动化和适应性。性能测试方面，主要测试去支撑效率、打磨精度和表面质量。去支撑效率测试评估去除支撑的速度与效果，打磨精度测试通过检测表面粗糙度，确保达到所需的光滑度标准，表面质量测试则验证打磨后的零件是否符合要求。通过对各项性能的测试和优化，能够确保自动去支撑打磨装置能够在各种应用场景中提供高效、精准的后处理效果，进一步推动3D打印技术在制造业中的广泛应用。

结语

本研究设计的自动去支撑打磨装置，通过集成激光切割、机械切割、机器人控制系统以及自动化打磨技术，不仅能够显著提高后处理效率，还能确保零件表面质量的稳定性。该装置的实现对于推动3D打印技术在工业制造中的应用具有重要意义，尤其是在高精度、高复杂度的领域，为生产过程提供了更高的自动化和智能化解决方案。

参考文献

[1]刘金城.SPEE3D的新泰坦（TITAN），克服大型金属零件3D打印的挑战[J].铸造，2024，73（09）：1448-1450.

[2]张仕颖.基于FDM的金属3D打印平台关键结构设计与成型工艺研究[D].重庆三峡学院，2023.

[3]李瑞锋，李客，周伟召.激光金属3D打印技术的研究进展[J].粘接，2022，49（07）：98-105.

随着国内超2米级设备3D打印技术的成熟，打印工件打印尺寸目前可以打印2050*2050*2000的工件，人工打磨时间比较长，工件交付周期等。

且对人粉尘污染职业病影响，随着社会发展用工难问题。

传统去支撑是手工用拿錾子用榔头敲击，或角磨机切割。薄壁结构工件容易变形，砸伤凹陷导致工件报废。

小工件打磨用时较短，针对大工件1米以上的件，还有钛合金、高温合金高强度工件人工打磨更费劲。