增材制造不再仅仅用于原型制作。越来越多的技术被用于制造可生产的部件。这迫使工程师们开始考虑关节设计和装配过程。

许多印刷组件最终需要加入其他部件或子组件。而且，某些部分太大而无法在单个3D打印机上生产。

无论印刷零件是金属还是塑料，都可以通过三种传统的连接工艺来组装:粘接、机械紧固和焊接。通常，大多数塑料部件是用粘合剂连接的，而许多金属部件是用螺钉和其他类型的紧固件组装的。

增材制造通过将一层材料叠加在另一层材料上，从数字文件中“打印”出固体物体，而不是先从一块经过切割和塑形的固体材料开始。

该技术允许公司更容易地制造复杂的形状和结构，这些形状和结构难以采用传统的减肥制造方法制造。还有较少的浪费，这导致更短的设置时间和更低的材料成本。

塑料部件通常使用紫外线，红外或可见光与激光或热能结合使用。金属零件采用基于激光的或基于电子束的打印机生产，用于原料的金属粉末;激光或电子束将粉末熔化在一起。

增材制造的好处之一是零部件的整合。以前需要组装的复杂、多组件部件可以打印成单个对象。这使得工程师可以将多个组件或组件合并到一个部件中，减少了时间和组装成本。

增材制造的长期目标是简化或减少组装的需要。事实上，许多塑料印刷部件都有卡扣配合，这就完全消除了对粘合剂或紧固件的需要。通常，卡扣配合保持在模具制造的几何限制范围内，利用塑料的弹性变形能力，然后迅速恢复形状。

“当前添加剂制造采用背后的一个驱动因素是完成的部分......通常消除多个子组件或优化机加工部分或一组零件的设计结构，”菲利普斯螺丝公司总裁Mike Mowins说

“由添加剂制造生产的金属或塑料部件的重量较轻，并且具有比传统加工或模制的部分更复杂的几何形状，”莫尔斯解释说“MOWINS”的结果是您有一个部分仍将利用相同的紧固件原始设计的零件用途，但会更轻，具有优化的结构几何形状。“

随着更多制造商开始打印生产准备的金属和塑料零件，迟早将需要将这些部件附加到采用传统制造技术制造的其他部件或子组件，例如压铸，注塑或加工。

航空航天应用

航空航天工业一直走在生产就绪印刷零件的前沿，应用于从商用飞机客舱到喷气发动机的各种应用。印刷零件，如支架，通常连接到铝或碳纤维复合材料组件。

例如，空客的工程师最近将一个3d打印的钛支架安装在一架A350 XWB喷气客机的铝吊架上。波音(Boeing)、通用电气(General Electric)和洛克希德马丁(Lockheed Martin)等其他大型航空制造商也看好这项技术。

“我们已经超越了卫星和人类额定航天器，并将技术应用于导弹，直升机和飞机，”波音卫星系统高级技术研究员Richard Aston说。“作为添加剂制造成为主流制造方法，可以通过将设计作为综合机械系统接近设计来实现显着的可制造性提高和成本降低。

阿斯顿表示:“如果不充分理解和重新设计整个系统设计，就不可能优化添加组件。”

“大多数航空航天添加剂制造应用涉及具有优化几何形状的金属部件，具有传统的加工技术，”莫林斯添加。“所得到的部分仍然具有与传统加工部分相同的功能。实际上，它通常具有与原始部分相同的尺寸包络，并在关节接口处使用相同的紧固件作为原始部分。

“有一个巨大的机会，同时优化打印部分优化的紧固件，”摩尔表示。“如果工程师正在采用最新的添加剂制造技术，还采用最新的高性能紧固件是有意义的。

Mowins指出:“这是我们Mortorq螺旋驱动嵌入式紧固件和Mortorq外部超级螺栓最活跃的地方。”“航空工程师正在用这些新的、更轻的部件取代传统的紧固件，这些部件可以提供更大的扭矩控制和强度。

“当然，大多数添加剂制造活动仍然在研发方面，您可以快速生产带3D打印的多件组件的原型，然后通过动手模型排除设计和装配过程，”Mowins说。“我们用卷罗伊斯和其他人做了这种类型的练习，其中我们提供3D印刷部件与其结构重新设计的配合，并实时进行了部分装配优化。”

随着增材制造技术的成熟，材料的性能得到了很大的提高。这为连接印刷零件创造了新的机会。

“We are seeing more applications in industries where mass customization is beneficial, such as sporting goods or medical devices,” says Ged McGurk, technical customer services manager for 3D printing at Henkel Corp. “[There’s also a lot of activity] in small-volume manufacturing operations, such as aerospace and specialized industrial machinery.”

为了解决这些应用，汉高一直在开发用于各种增材制造技术的先进粘合剂，如用于熔融沉积建模(FDM)的专用细丝和用于熔融基体系的粉末。

McGurk说:“就像任何需要集成到最终组装中的工程部件一样，如果工程师们对增材制造工艺的能力和局限性有一个很好的理解，连接印刷部件就会相对简单。”“不同的打印技术将生产出具有完全不同特征的成品部件——即使用于打印相同的3D模型。

“成品部件的尺寸精度和稳定性，以及一些机械性能的表面光洁度和各向异性性质，都可以对最终组装操作产生影响，”McGurk解释说。“在这些情况下，可能需要设计更改来生产针对整个制造周期优化的部分。”

EWI结构完整性首席工程师William Mohr补充说:“连接印刷部件是一个活跃的研究领域。”“难度取决于打印的材料和你要加入的材料。[然而]最常见的金属和塑料部件的材料选择是容易焊接到类似的材料。”

根据Mohr的说法，不同的材料加入更具挑战性。“一般而言，在添加剂制造中使用的合金是可焊接的，即使对于不同的连接，”他解释道。“关注的领域可能是扭曲，材料性质，降解和腐蚀。

Mohr说:“由于直接从添加剂加工过程中获得的零件通常已经具有高张力的残余表面应力，而这些应力将通过在连接过程中加热而得到改善。”“材料性能退化[发生]是因为添加剂材料可能有微观结构取向效应沉积。”

性能变量

印刷部件具有不同的性能和性能特征，工程师应仔细考虑，例如弹性，孔隙度和刚性。

例如，不同的材料通常会有更高的腐蚀风险。然而，附加制造的材料往往有局部的化学变化，可加剧腐蚀效应。

“与使用传统方法制造的相同部件相比，印刷部件可以在其物理和机械性能方面有显着差异，例如使用相同的基本聚合物或金属，”McGurk解释说。“从材料科学的角度来看，这不应该令人惊讶。

“例如，最古老，最常见的工程材料之一，碳钢可以通过回火或退火改变其内部结构来产生截然不同的特性，”McGurk说。“这同样适用3D打印。

McGurk指出:“在这种情况下，印刷过程产生的一层一层的结构在本质上可以是各向异性的。”“层状结构还会导致结构中的缝隙或空洞，从而导致孔隙。这种孔隙率会影响部件密封或保持流体的能力。层状结构也可以在印刷零件的表面光洁度或粗糙度中明显。

“工程师必须在印刷过程中控制部分的方向，因为这将最终确定成品组件的承载性能，”McGurk警告。“表面性质（孔隙率或粗糙度曲线）的变化也可能对粘合剂分配或组装过程产生影响。”

EWI的Mohr补充说:“在很多情况下，你都试图使用增材制造，以满足与铸造、锻造或加工零件相同的设计标准，因此这些差异被最小化。”“有时，你可以利用过程的灵活性来减少整体重量，同时仍然满足设计意图。”

这在航空航天应用中是非常有益的，因为节省重量直接与燃料成本挂钩。结构的优化将增加材料在使用中的平均“活性水平”，这可能在更敏感的材料的弹性行为中明显。

“印刷部件中的孔隙率对从铸造工艺的孔隙率的组装过程具有类似的效果，不同之处在于印刷部件倾向于具有比铸件更均匀的孔隙率分布，”MoHR说。“均匀性的期望有助于在连接界面处需要气密密封的设计，因为孔的局部组合不太可能几乎是壁。

莫尔说:“连接方法的类型必须与印刷部分的设计和后处理相关联。”例如，与钎焊相比，印刷零件上的承插接头需要不同数量的焊接准备，因为钎焊需要更光滑的表面。

莫尔指出:“在许多情况下，无论在什么情况下，都需要对印刷部分的侧面进行准备，这为后续装配过程的特殊需求提供了一个位置。”

加入的替代品

粘合剂、紧固件和焊接都可以用来连接金属或塑料印刷件

莫文斯说:“我们仍然看到同样的连接技术在使用。”“用于传统模塑塑料零件的螺纹成型紧固件与用于印刷塑料零件的螺纹成型紧固件之间没有太大的区别。具有进取型螺纹轮廓的紧固件将使您与任何一种类型的零件良好连接。”

“加入技术没有改变，”斯特拉塔斯的原理应用工程师添加了Allen Kreemer。“任何常规连接方法，例如粘合剂粘合或机械紧固，都将起作用。例如，用FDM技术印刷的部件可以与许多类型的环氧树脂和氰基丙烯酸酯粘合。我们还测试了硅氧烷，氨基甲酸酯和紫外线固化粘合剂。

“两部分环氧树脂通常用于粘合FDM部件，”Kreemer说。应用后，在环氧树脂固化过程中，对粘合段进行固定或夹紧。

“氰基丙烯酸酯的抗拉强度高于环氧粘合剂，”Kreemer指出。然而，它对高温、化学药品和溶剂的耐受性较差。因此，与氰基丙烯酸酯的结合可能会降低FDM零件的性能。因此，它推荐用于概念模型和外形合适的原型，而不是功能原型或制造零件。”

超声波焊接是另一种连接的替代方案，特别是对于用热塑性材料印刷的部件。“当需要更高的强度时，可以与其他方法组合使用超声波焊接，”Kreemer说。“这种方法对笨重或尴尬的组件特别有用。”

机械紧固件是另一种有效的替代方案。“在加入FDM零件时，有大量的机械紧固方法和硬件选项，”Kreemer索赔。“机械连接部分的一种独特方法是在其构建过程中插入零件中的紧固硬件。当它从[打印机]出现时，紧固件整合在零件内。“