概要：多階段制造流程會(huì )帶來(lái)不確定因素和工藝偏差，導致結果不準確。若沒(méi)有合適的工具和系統性方案，糾正調查難度不小。

目標：使用Artec 3D Space Spider和3D Systems的Geomagic Control X計量與質(zhì)量管理軟件，通過(guò)迭代率，降低總成本與項目時(shí)間，提升準確度，效果遠超鑄造廠(chǎng)預期。
使用工具：Artec Space Spider, Artec Studio, Geomagic Control X

掃描與監測增材制造部件可降低成本，減少迭代，提升準確度和質(zhì)量水平。

隨著(zhù)全新生產(chǎn)技術(shù)的出現，制作優(yōu)質(zhì)零件也隨之產(chǎn)生了新的技術(shù)難題。通常，在合同制造商初次生產(chǎn)時(shí)，就要先對全新工藝進(jìn)行重要調整，以了解收縮、表面處理和重復性等情況。增材制造也不例外，但追蹤這些生產(chǎn)方式的工具水平還很落后。但現在開(kāi)始，一切都有了改變。

多數制成品的生命周期和生產(chǎn)流程往往遵循一個(gè)共同流程。設計、制造、檢驗是工藝、步驟和職責方面考量的普遍做法。每個(gè)階段都影響著(zhù)生產(chǎn)零件的品質(zhì)。根據制造部件的復雜程度及特性，真正的工藝流可能需要多次循環(huán)調整和反饋。

在下方工藝流案例中，我們展示了配合使用Artec Space Spider與Geomagic軟件，可在設計、生產(chǎn)驗證、制造流程的所有階段，完成3D打印蠟型鑄件及其部件的全外形捕獲與分析。

挑戰

多階段制造流程會(huì )帶來(lái)不確定因素和工藝偏差，不斷累積會(huì )導致結果不準確。如果沒(méi)有合適的工具和系統性方案，糾正調查難度不小

解決方案

Artec 3D Space Spider掃描儀和3D Systems的Geomagic® Control X?計量與質(zhì)量管理軟件

結果

?采用3D掃描和檢驗網(wǎng)調整增材制造無(wú)工具制模流程，通過(guò)迭代（1次），提升效果

?降低27%的成本，準確度提升10%

?與鑄造廠(chǎng)密切合作，分析制模流程網(wǎng)，迭代（1次），但部件效果遠超鑄造廠(chǎng)預期

?部件準確度提升14%

?表面處理成本降低，無(wú)需二次加工工序

Artec Space Spider是一款帶超高分辨率的手持式3D掃描儀，能精確捕獲小型物體和復雜幾何，并用于尺寸檢查。

Space Spider即開(kāi)即用，掃描過(guò)程輕松，無(wú)需復雜的前期準備或大量使用培訓，用戶(hù)可在任何地方完成數字化操作。Artec 3D的“無(wú)標靶”算法能單獨依靠掃描儀捕獲物體外形與色彩，無(wú)需在物體上增加任何標記。

Artec Studio掃描軟件

3D Systems的Geomagic Control X是工業(yè)級計量軟件，能為制造工藝進(jìn)行根本原因分析和修整，與3D掃描原生軟件相同，Control X是理想的便攜式測量設備。Control X可以讓所有團隊成員在任何地方實(shí)現更快、更多、更完整的測量。

整套解決方案為復雜制造工藝的順利生產(chǎn)提供了獨特方式。結果如何呢？大幅提升了部件的整體質(zhì)量、準確度和再現性。

設計

在該制造案例中，我們重復了客戶(hù)的一項真實(shí)項目，但簡(jiǎn)化了部分細節。在本案例中，我們的客戶(hù)需要研發(fā)一輛特別的輕量型自動(dòng)駕駛汽車(chē)。為加快上市時(shí)間，選擇了目前市面上許多汽車(chē)部件與系統，結合起來(lái)完成汽車(chē)原型。在這過(guò)程中，他們找到了一款特殊的轉向節，對項目頗有用處，客戶(hù)需要對其數字化，捕獲設計，用于輕量材料的設計修改與生產(chǎn)。

首先，對原始件進(jìn)行3D掃描和逆向工程。Artec Space Spider被用于產(chǎn)品快速數字化，并通過(guò)獨特的混合建模技術(shù)，在Geomagic Design X中完成準確建模。通常，客戶(hù)會(huì )在按完工圖（準確度高）或設計意圖（尺寸優(yōu)先）兩種建模方式中選擇?；旌辖７ńY合了兩種方式，完成的CAD實(shí)體模型既包含尺寸特征，也包含高度準確的NURB曲面。通過(guò)這種方式，不到1.5小時(shí)就完成了建模，隨后以基于特征的CAD直接實(shí)時(shí)導出至SOLIDWORKS。

原始件掃描

混合CAD模型

用于打印的去特征模型

未完工的2500 IC打印件

Projet 2500 IC上樣品橫截面稀疏填充模式

模具制作

幾十年來(lái)，增材制造在航空航天和汽車(chē)行業(yè)中被用于制作犧牲性鑄件模具。由于近期3D打印技術(shù)出現新的進(jìn)展，工業(yè)級模具能以低的造價(jià)由蠟或高分子聚合物打印完成，能與脫蠟工藝無(wú)縫對接。如今，3D Systems已經(jīng)更為廣泛地應用于無(wú)工具增材模具制造，隨著(zhù)技術(shù)的普及、提速以及精準度的提升，將來(lái)這一應用還將更為廣泛。

對涉及熱能材料沉積的增材工藝或后期處理，可能會(huì )出現一定程度的沉積和“沉降”。質(zhì)量較重的部件或重要截面區域存儲熱能的時(shí)間，會(huì )比輕薄型和小型部件更久。

基于這一認識，我們測試了兩種打印方式，希望盡可能將打印材料的成本降到很低，同時(shí)保持高水平的尺寸穩定性。我們測試了完全固體蠟打印法以及薄殼/稀疏蠟填充法，由3D Sprint Build客戶(hù)軟件準備，并在Projet MJP 2500 IC系統打印，生成蠟模。根據以往的經(jīng)驗，我們發(fā)現，當打印相對較大的零件時(shí)，帶50%稀疏填充率的2毫米薄殼可產(chǎn)生高質(zhì)量的穩定零件。

經(jīng)過(guò)后期處理和冷卻，我們使用同一臺Artec Space Spider輕松掃描了兩個(gè)模具。零件的獨特形狀、蠟的綠色以及后期處理的輕微鈍化和增白效果，使我們的掃描技術(shù)人員能使用幾何+紋理跟蹤順利捕獲模型。

通過(guò)Geomagic Control X，我們直接導入了3D Sprint Build文件，并根據檢驗程序的打印方向檢查了每個(gè)零件。因為我們將反復掃描主體部分來(lái)改善工藝，因此我們能夠建立一個(gè)詳細的檢查項目并多次重復，同時(shí)將整個(gè)過(guò)程的開(kāi)發(fā)歷史記錄保存在一個(gè)Geomagic Control X文件中。掃描完成后，我們只需將每個(gè)新的stl文件放入Control X項目中，評估過(guò)程就會(huì )自動(dòng)進(jìn)行，從而獲得高質(zhì)量、可重復的報告。

我們發(fā)現，通常所有帶有加工偏移的區域都在鑄件公差范圍內，但自由度更高的區域有超出公差范圍的趨勢。我們認為，這與我們的假設有關(guān)，即大截面區域保留熱量并在冷卻時(shí)變形。

這一階段的綜合分析幫助我們得出一些結論，即帶有蠟制模具的3D打印不僅更具成本效益，而且后期處理后，尺寸也更加合規。

澆鑄
脫蠟法是一種可信賴(lài)的制造方式，其歷史可追溯到5000年前，在工業(yè)革命后的幾百年，它已在全球工業(yè)制造領(lǐng)域受到廣泛認可。

如今，鑄造工藝已相當成熟且易重復，廣為人知，模擬軟件也涵蓋了相關(guān)部分以減少內部零件出現缺陷的概率。與經(jīng)驗豐富的鑄造廠(chǎng)合作，客戶(hù)無(wú)需耗費額外精力，即可完成增材制造模具，并生產(chǎn)出沒(méi)有內部缺陷的零件，表現超過(guò)普通工藝的鑄模預期公差。

由于鑄造工藝本身的穩定性，積極參與結果測試和工藝迭代測試的客戶(hù)，在調整零件幾何時(shí)，還能得到品質(zhì)更高的產(chǎn)品。

所需澆鑄尺寸

實(shí)際鑄模尺寸

?工藝中零件物理用量減少約35%。

?材料成本降低約27%。

?整體公差合規性提升約10%（使用3D對比）

?實(shí)體零件沒(méi)有通過(guò)公差閾值。

?填充零件通過(guò)公差閾值。

?此外，進(jìn)一步研究發(fā)現，室溫下的尺寸長(cháng)期穩定性高于實(shí)體零件。

分析：實(shí)體蠟模具

分析：填充法蠟模具

收縮是鑄造過(guò)程的常見(jiàn)結果，鑄造廠(chǎng)通常會(huì )為客戶(hù)提供一些指導，來(lái)彌補特定材料產(chǎn)生的收縮，用包圍盒定義零件尺寸。由于幾何復雜性以及物理澆鑄過(guò)程的影響，通常大多數零件會(huì )出現不均勻的收縮。因此，鑄造常常被視為“離散公差”的過(guò)程。

在轉向節的鑄造過(guò)程中，我們研究了適合模型和材料的收縮率。鑄造廠(chǎng)建議使用2%的均勻縮放來(lái)生產(chǎn)準確的零件。為了研究3D掃描和精度縮放因子對成品精度的影響，我們按照建議的2%縮放因子制作了蠟模，并提供給鑄造廠(chǎng)。

對返回鑄件進(jìn)行進(jìn)一步檢查，檢查均勻的縮放因子是否符合預期公差。遵循常規鑄模規范，一般零件肯定符合合作商規定的可實(shí)現的精度參數。但使用Control X中的“橫截面”對比工具仔細檢查發(fā)現，在某些明顯部位，若更好地采用精度縮放因子，可大幅提升成品零件的整體精度。

根據嚴格公差進(jìn)行的“橫截面輪廓”對比，清楚顯示了帶有藍色的外部邊界，而內部邊界則顯示了橙色和紅色。外部輪廓確認存在“尺寸過(guò)小”的情況，實(shí)際零件邊界在參照邊界內。內部輪廓顯示，中心圓柱特征的尺寸小于預期，但出現在參照特征的外部。這表明，零件的總輪廓陰影存在縮放差異，可通過(guò)提高縮放因子、打印和再鑄造來(lái)校正。

以往的鑄造工藝改進(jìn)研究讓我們了解了如何對建議標準值進(jìn)行調整，并將X、Y、Z軸調整為不均勻縮放因子，分別為2.2%、2.3%、2.7％，并再次打印了蠟模，提供給鑄造廠(chǎng)。

通過(guò)對精度彌補模具檢查，我們得出有關(guān)模具到零件工藝的一些結論：

?精度縮放模具的結果超出了鑄造廠(chǎng)的預期。

?縮放校正零件的整體尺寸合規性提升了約14%。

?隨著(zhù)精度的提高，可減少至少一次主加工工序。

?降低了零件總生產(chǎn)成本。

?可進(jìn)行進(jìn)一步分析，了解進(jìn)一步提高精度是否可以減少整體加工工序。

結論

效率是維持利潤、減少人工和生產(chǎn)周期中產(chǎn)生浪費的關(guān)鍵。借助Artec 3D Space Spider和Geomagic Control X，我們能夠通過(guò)分析工業(yè)的每個(gè)階段，來(lái)改善制造零件的總體質(zhì)量，并盡可能減少調整周期和迭代次數。使用高質(zhì)量3D掃描和掃描原生工業(yè)檢查軟件這一整體解決方案，可減少迭代和猜測，節省時(shí)間和金錢(qián)，并加快產(chǎn)品上市時(shí)間。

縮放誤差截面分析

鑄模零件成品

鑄模成品分析