以轻量化3D打印铣刀应对车辆底盘的加工挑战

创新型汽车制造商 Local Motors 一直在探索通过大型3D打印技术制造车辆的车身零部件，Local Motors 开发的自动驾驶巴士Olli 的底盘就是采用3D打印技术制造的。底盘完成增材制造之后还需要进行机械加工，但由于3D打印所实现的特殊复杂结构及材料的特殊性，Local Motors在进行底盘机械加工时遇到了铣削挑战。

刀具制造商山特维克可乐满为Local Motors提出了加工解决方案，巧合的是在这一加工方案中所使用的铣刀也是通过增材制造-3D打印技术制造的。

Olli。来源：Sandvik

加工时间缩短95％

Local Motors 的车辆制造方式与传统汽车制造有着显著差异，他们通过3D打印技术制造车身零部件，并努力简化车辆的设计，将小型车辆的零部件数量减少至40-50个。Local Motors 开发了专有的车身零部件碳纤维增强3D打印材料，并安装了长达12米的大型混合制造设备，该设备集成了3D打印技术与铣削技术，可用于生产自动驾驶巴士Olli 的底盘。Local Motors 通过该设备实现最小的材料处理量，并大量减少工具费用。

Olli 底盘加工。来源：Sandvik

在Olli 汽车底盘在完成3D打印之后，将进入到铣削流程。在铣削加工中存在的挑战是，底盘本身具有带深腔的复杂零件特征，并且材料要求苛刻，这也是铣削加工的典型挑战。加工这类结构所需的长悬垂通常会由于振动问题和相关的性能问题而遇到加工瓶颈。

对于以上挑战，山特维克可乐满给出的方案是结合使用Silent Tools™刀架与新型轻量化铣刀CoroMill®390 解决Olli 汽车底盘的加工挑战。巧合的是，山特维克可乐的轻量化铣刀CoroMill®390 本身也与增材制造技术有着密切关系，这是一款采用金属3D打印技术制造的可转位铣刀。

根据山特维克，CoroMill®390 铣刀配备了Silent Tool 刀杆，Silent Tool 配备了CoromantCapto®快速更换主轴接口，这一刀具组合将Olli汽车底盘的加工时间缩短95％。而增材制造铣刀的重量比传统刀具更轻，这使得刀具在加工长悬伸时的性能得到提升。

山特维克在设计与制造这款铣刀时可用的减重方式有几种，例如使用轻量化的刀具制造材料，或在刀具主体上集成加工孔，但经过验证之后通过增材制造技术实现的轻量化设计是最佳的途径。根据山特维克给出的数据，铣刀的重量减轻了80％。

带刀杆的3D打印轻量化铣刀CoroMill®390。来源：Sandvik

为了减轻CoroMill®390 铣刀的重量，山特维克对刀具进行了拓扑优化设计，刀具制造材料为钛合金材料-Ti6Al4V，并使用粉末床激光熔化金属3D打印技术进行刀具制造。山特维克表示，CoroMill®390增材制造铣刀精确的轻巧设计，可限制振动并实现平滑切割性能，将客户生产率提高50-200％。CoroMill®390 轻量化铣刀已通过雷尼绍的RenAM 500Q 金属3D打印设备进行批量生产，2019年4月正式推出市场。

Review

除了采用轻质材料等传统方式，粉末床选区激光熔化3D打印技术以及面向增材制造的轻量化设计，成为实现机械加工刀具轻量化的新途径。根据3D科学谷的市场观察，机械加工刀具制造商肯纳金属（ Kennametal）也利用这一3D打印技术开发了一种轻量化镗孔刀具，这款镗刀用于加工新能源汽车电机定子。新能源汽车的零部件通常通过更小、低马力的CNC加工中心加工的，这类加工中心需要更轻的加工刀具。肯纳金属推出的3D打印镗孔刀具的重量仅为传统镗孔刀具的一半，同时仍满足铝电机主体镗孔加工的精度、圆度和表面光洁度的需求。

但在金属3D打印技术为刀具制造带来附加价值的同时，我们不难发现，金属增材制造正在高附加值零部件直接制造领域替代传统制造工艺，传统工艺中就包括使用金属切削刀具进行加工的机械加工工艺。

无论是肯纳金属还是本文所提及的山特维克都建立了增材制造部门，对3D打印材料、工艺以及零部件直接制造应用进行探索，在增材制造方面积累的经验不仅被用于制造高附加值的刀具，还为外部制造业用户提供增材制造服务。3D打印与机械加工如何融合，又会产生怎样的替代与竞争关系，其中蕴含的趋势与机遇值得深思。