《Proceedings of the Design Society》：A novel design for the integration of conventional rolling bearings into MEX-manufactured components
编辑推荐：
摘要：增材制造 (AM) 的进步使得AM部件能够应用于要求苛刻、功能需求高的复杂场景。因此，将传统滚动轴承等标准化机械元件集成到此类部件中正变得越来越重要。然而，材料挤出 (MEX) 工艺在可实现的公差和表面质量方面的局限性，与轴承集成所需的严格规范形成了鲜明
摘要：增材制造 (AM) 的进步使得AM部件能够应用于要求苛刻、功能需求高的复杂场景。因此，将传统滚动轴承等标准化机械元件集成到此类部件中正变得越来越重要。然而，材料挤出 (MEX) 工艺在可实现的公差和表面质量方面的局限性，与轴承集成所需的严格规范形成了鲜明对比。本研究介绍了一种新型的界面元件及其相应的集成工艺，该工艺同时考虑了轴承的要求和MEX部件的分层结构特性。研究人员基于先前在MEX部件中集成高强度螺纹连接锚固点的工作，提出了一种新方法。该方法通过热应用螺纹套筒，解决了MEX特有的局限性，同时为标准化机械元件提供了机械鲁棒且几何可控的界面。本研究中，该工艺的概念被扩展应用于滚动轴承的集成，将螺纹套筒作为MEX部件与轴承之间的界面元件。研究人员将滚动轴承集成作为一个目标应用进行讨论，以阐明所提方法的潜力并为未来的实验验证指明方向。
**论文解读**
**研究背景与问题**
增材制造 (AM) 已从纯粹的快速原型技术发展为功能部件的成熟生产技术。在众多AM工艺中，材料挤出 (MEX)，也称为熔融沉积建模 (FDM)，因其成本效益、材料多样性和广泛的工业可及性而具有优势。然而，MEX工艺生产的聚合物基部件仍受限于尺寸不精确、各向异性行为以及表面质量不足等问题。在许多机械装配中，MEX部件需要与其它部件连接以满足特定的机械和功能要求，滚动轴承常被用作实现旋转功能的连接元件。
尽管传统滚动轴承在实践中已被证明高度可靠，但其特定的集成要求（如严格的圆柱特征尺寸精度、各向同性刚度以及轴承座所需的良好表面质量）常与MEX工艺的固有局限性（如有限的圆柱特征尺寸精度、各向异性刚度以及轴承座表面质量不足）相冲突。因此，尤其是在高要求应用中，将滚动轴承集成到MEX部件中虽极具需求，但仍面临诸多挑战。目前，将传统滚动轴承集成到MEX部件中尚无标准化流程，主要依赖“最佳实践”方法，如暂停打印后手动插入轴承或打印后压入装配。这些方法在位置与尺寸精度、动态负载下的性能、以及标准化集成方法论等方面存在研究空白。
**研究目的与意义**
本研究旨在解决上述矛盾，提出一种系统性的集成方法。研究基于作者先前在MEX部件中集成螺纹套筒以形成高强度螺钉连接锚固点的工作，将这一经过实验验证的热应用工艺概念性地扩展至传统滚动轴承的集成。其核心意义在于，通过引入一个可控的界面元件（螺纹套筒），弥合标准化轴承的严格规范与MEX工艺能力之间的差距，从而为MEX技术拓展至机械要求更高的应用场景提供潜在路径。该论文发表在《Proceedings of the Design Society》上。
**关键技术方法概述**
本研究提出的方法主要基于一项创新的螺纹套筒热应用技术。该技术专为适应MEX分层材料的特性而开发，用于实现可拆卸的螺钉连接。关键技术环节包括：1）**工艺设备**：使用一个开放式参数试验台，该试验台能控制套筒的进给和旋转运动。2）**热应用过程**：螺纹套筒在插入前通过感应线圈被强烈加热至目标温度，使其外螺纹区域能软化MEX部件核心孔内的丝材。3）**受控插入**：通过协调的进给和旋转运动（与套筒螺纹螺距相适应），将套筒旋入部件，实现深度锚固。局部热传递促进了丝材在套筒周围的再固化，并能补偿打印缺陷，使套筒位置和姿态独立于打印核心孔的几何形状与位置。该工艺已获得欧洲专利。本研究将此工艺概念迁移至用于安装滚动轴承的套筒上。
**研究结果**
本研究通过概念性分析与设计推演，阐述了新方法的原理、优势及后续研究方向，并未报告具体的轴承集成实验数据。主要结果体现在以下几个方面：
* **3.1 创新性螺纹套筒应用技术的结果与优势**：引用的前期研究（Fürst & G?hlich, 2024）表明，与传统的熔入式嵌件相比，热应用螺纹套筒工艺能实现显著更高的螺钉拉拔力（在所有测试的填充密度下均高出20%以上）。这归因于套筒在部件中的深度锚固。局部热能引入还增强了部件的结构刚度。该工艺可靠且可重复，允许在MEX部件中集成高耐久性的锚固点。
* **3.2 将工艺适配于滚动轴承安装套筒**：研究人员提出，将螺纹套筒作为MEX部件与滚动轴承之间的界面元件。通过该工艺，可以在MEX部件内部创建精确可定位且高强度的轴承座。套筒的内表面可以根据轴承制造商或相关标准指南的严格要求（如公差和表面粗糙度）进行定制，从而满足轴承集成的规范。图6示意了该新型集成方法的四个步骤：核心孔适配、套筒预热与受控旋入、冷却、以及轴承（如通过压配）安装。
* **3.3 滚动轴承通用设计方法学**：研究指出，与螺纹套筒相比，滚动轴承的应用对相邻轴及轴承座的同轴度和平行度要求更高。需要制定涵盖轴承座制造公差、轴承与轴装配的设计方法学，并考虑不同轴承类型、载荷条件以及系统结构（如壳体分型面）。图7展示了针对固定-游动轴承布置和预紧O型布置的装配设计改进示例。
* **3.4 轴承板集成展望**：对于许多应用，可能需要将相邻轴承的套筒组合成一个轴承板，以避免MEX结构承受过高的轴承力。这带来了额外的设计复杂性，包括相邻轴承座应力干扰的分析、轴承板在MEX结构中的固定方式设计，以及装配工艺的重新考量。
* **4. 试验台与轴承布置鉴定方法**：为确保可靠性，需要验证MEX制造壳体中轴承支撑的可靠性。研究人员提出了一个测试方法构想，即利用组装感应加热轴承套筒或轴承板的设备来测试相关刚度参数。测试力需被控制，以避免壳体永久变形或轴承静态失效。表1列出了对已装配轴承座测试方法的初步需求提案，关键思想是将测试力保持在最大工作力以下，并将变形控制在较小范围。初步测试认为静态应力与变形测试对证明系统可靠性最为重要。
**讨论与结论**
**讨论部分**指出，将传统且成熟的机械元件集成到增材制造部件中，需要特定的适配以充分发挥装配体的潜力。满足标准化机械元件通常严格的功能、机械和几何要求，对MEX部件构成了相当大的挑战。
**研究结论**部分总结道：本研究基于作者先前的工作，介绍并讨论了一种将滚动轴承集成到MEX部件中的新方法。该方法解决了两个核心方面：标准化金属轴承的苛刻要求以及MEX部件的工艺固有特性。通过提供一个机械鲁棒且几何可控的界面概念，该方法为扩展MEX技术在机械要求高的用例中的应用范围指明了一条潜在途径。此外，经过验证的螺纹套筒应用工艺使得能够通过工艺参数（例如监控应用扭矩）来鉴定所创建的界面。从概念上讲，此界面原理可能可转移至其他轴承类型（如滑动轴承）以及具有高界面要求的其他机械元件。
然而，该概念在滚动轴承上的实施目前仅限于概念层面，需要进一步的基础研究。这包括应用参数优化、套筒设计、轴承界面处MEX部件的设计，以及在相关负载条件下的全面实验验证。这些方面应成为未来工作的重点。从长远来看，这种基于界面的方法可能有助于制定将高要求机械元件集成到MEX制造部件中的标准化设计指南。
