粉末床熔融金屬3D打印技術(shù)為構(gòu)建具有自由形狀和復(fù)雜特征的零件提供了極大的自由度，可直接根據(jù)CAD數(shù)據(jù)制造成品，無需使用成本高昂的加工工具。若以傳統(tǒng)方式來制造這些設(shè)計(jì)復(fù)雜的零件，則顯得非常不切實(shí)際，甚至根本不可能完成。增材制造技術(shù)制造的零件往往更輕、更高效且能夠更好地發(fā)揮工作性能。

然而，這并不是說這種靈活性能夠讓我們隨心所欲地設(shè)計(jì)任何想要的形狀，至少在成本的約束下，我們也不可能做到這一點(diǎn)。

在這方面，金屬3D打印專家英國雷尼紹總結(jié)了一系列的增材制造設(shè)計(jì)指南，在此，3D科學(xué)谷將分為兩期與谷友分享，本文為上半部分。

與任何制造工藝一樣，增材制造技術(shù)也有自己的優(yōu)勢和局限性。例如，對(duì)于采用激光粉末床熔融技術(shù)制作的零件，如果設(shè)計(jì)有懸伸部分 — 也就是具有要在未熔粉末的頂部進(jìn)行熔融加工的位置 — 則可能需要設(shè)計(jì)一次性支撐才能順利完成加工。這些支撐會(huì)增加加工時(shí)間、消耗更多材料，而且還需要額外的后處理來進(jìn)行移除。

功能經(jīng)過優(yōu)化的零件

圖片中零件功能雖經(jīng)優(yōu)化但并不是為用于增材制造 (AM) 而設(shè)計(jì)的零件可能需要大量支撐，導(dǎo)致它們的制造效率偏低。

來源雷尼紹

因此，如果我們打算采用增材制造技術(shù)生產(chǎn)性能優(yōu)異的零件，同時(shí)又要兼顧經(jīng)濟(jì)和實(shí)用性，那么增材制造設(shè)計(jì) (DfAM) 就變得尤為重要。

下面我們開始介紹能夠提高增材制造加工的成功率及生產(chǎn)效率的諸多關(guān)鍵因素，并解釋了設(shè)計(jì)師在開發(fā)高效的生產(chǎn)零件時(shí)應(yīng)遵循的一些重要指導(dǎo)原則。

因素1：殘留應(yīng)力

殘留應(yīng)力是快速加熱和冷卻的必然產(chǎn)物，這是激光粉末床熔化工藝的固有特性。每一個(gè)新的加工層都是通過如下方式構(gòu)建的：在粉末床上移動(dòng)聚焦激光，熔化粉末頂層并將其與下方的一個(gè)加工層熔合。熱熔池中的熱量會(huì)傳遞至下方的固體金屬，這樣熔融的金屬就會(huì)冷卻并凝固。這一過程非常迅速，大約只有幾微秒。

新的金屬層在下層金屬的上表面凝固和冷卻時(shí)會(huì)出現(xiàn)收縮現(xiàn)象，但由于受到下方固體結(jié)構(gòu)的限制，其收縮會(huì)導(dǎo)致層與層之間形成剪切力。

圖 ： 激光在固體基體的頂部熔融金屬形成新的焊道（左）。激光沿著掃描矢量移動(dòng)并熔融粉末，隨后通過將熱量傳遞至下方的固體金屬，熔融后的粉末開始冷卻。凝固后，冷卻金屬收縮，該金屬層與下一層之間就會(huì)形成剪切力（右）。來源雷尼紹

殘留應(yīng)力具有破壞性。當(dāng)我們?cè)谝粋�(gè)加工層頂部增加另一個(gè)加工層時(shí)，應(yīng)力隨之形成并累積，這可能導(dǎo)致零件變形，其邊緣卷起，之后可能會(huì)脫離支撐：

來源雷尼紹

在比較極端的情況下，應(yīng)力可能會(huì)超出零件的強(qiáng)度，造成組件破壞性開裂或加工托盤變形：

來源雷尼紹

這些效應(yīng)在具有較大橫截面的零件中最為明顯，因?yàn)榇祟惲慵�往往具有較長的焊道，而且剪切力作用的距離更長。

-- 盡可能減小殘留應(yīng)力

解決這一問題的手段之一是改變我們的掃描策略，選擇一個(gè)最適合零件幾何形狀的方法。當(dāng)我們用激光軌跡填充零件中心時(shí)，通常會(huì)來回移動(dòng)激光，這一過程稱之為“掃描”。我們所選擇的模式會(huì)影響掃描矢量的長度，因此也會(huì)影響可能在零件上積累的應(yīng)力水平。采用縮短掃描矢量的策略，則會(huì)相應(yīng)減少產(chǎn)生的殘留應(yīng)力：

迂回掃描模式

- 完成每層掃描后旋轉(zhuǎn)67°

- 加工效率較高

- 殘留應(yīng)力逐漸增加

- 適合小、薄特征

條紋掃描模式

- 殘留應(yīng)力均勻分布

- 適合大型零件

- 加工效率高于棋盤掃描模式

棋盤掃描模式

- 每層分為若干個(gè)5×5 mm的島狀區(qū)域

完成每層掃描后將整體模式和每個(gè)島狀區(qū)域旋轉(zhuǎn)67°

殘留應(yīng)力均勻分布

適合大型零件

圖 ：掃描策略與適合它們的不同零件類型。兩種最常見的掃描策略分別是用于薄壁零件的“迂回”掃描（也稱為光柵掃描），及用于具有較厚截面的零件的“條紋”掃描。“棋盤”或“島狀”掃描策略也同樣有效。條紋和棋盤掃描可縮短各掃描線的長度，減少殘留應(yīng)力的累積。來源雷尼紹

我們也可以在從一個(gè)加工層移至下一個(gè)加工層時(shí)旋轉(zhuǎn)掃描矢量的方向，這樣一來，應(yīng)力就不會(huì)全部在同一平面上集中。每層之間通常旋轉(zhuǎn)67度，以確保在加工完許多層后掃描方向才會(huì)完全重復(fù)。

加熱加工托盤也是用于減少殘留應(yīng)力的一種方法，而序后熱處理也可減少累積的應(yīng)力。

—“ 殘留應(yīng)力設(shè)計(jì)建議”—

- 盡可能通過設(shè)計(jì)消除殘留應(yīng)力

- 避免大面積不間斷熔化

- 注意橫截面的變化

- 混合加工將較厚的底板整合到增材制造零件中

- 在應(yīng)力可能較高的位置使用較厚的加工托盤

- 選擇一種合適的掃描策略

在任何疊層制造工藝中，加工方向始終限定在Z軸 — 即垂直于加工托盤。請(qǐng)注意，加工方向并非始終都是通用方向。應(yīng)當(dāng)選擇合適的方向，以便使用最少的支撐材料或不使用支撐材料來生產(chǎn)最穩(wěn)定的加工件。

-- 懸伸部分和熔融過程

在粉末床加工工藝中，由于形狀是一層層構(gòu)建起來的，因此層與層之間的關(guān)聯(lián)方式非常重要。當(dāng)每一層熔化時(shí)，它需要下面的一層來提供物理支撐和散熱路徑。

當(dāng)激光熔化粉末層時(shí)，如果粉末層下方為固體金屬，則熱量會(huì)從熔池傳遞至下方結(jié)構(gòu)，這會(huì)再次熔化部分固體金屬并形成牢固的焊接。隨著激光源移開，熔池也將快速凝固，因?yàn)闊崃恳驯挥行�傳遞出去。

如果零件具有懸伸部分，那么熔池下方區(qū)域至少有一部分會(huì)是未熔粉末。這些粉末的導(dǎo)熱性遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于固體金屬，因此來自熔池的熱量會(huì)保留更長時(shí)間，導(dǎo)致周圍更多粉末燒結(jié)。結(jié)果可能是，多余材料附著在懸伸區(qū)域的底面，這意味著懸伸結(jié)構(gòu)可能呈現(xiàn)出畸形和粗糙的表面。

圖：在固體金屬上方熔化粉末能夠快速冷卻（左）。當(dāng)粉末熔化過程發(fā)生在懸伸區(qū)域時(shí)，由于其下方是未熔粉末，因此需要更長時(shí)間冷卻，而多余的材料可能會(huì)附著在零件的底面。來源雷尼紹

-- 擺放方向選擇

一般來說，與加工托盤形成的角度小于45度的懸伸結(jié)構(gòu)需要支撐。

懸伸表面被稱為下表層。它們通常會(huì)呈現(xiàn)出比垂直壁面和朝上表面更粗糙的表面。這種效果是熔池冷卻速度減慢導(dǎo)致懸伸結(jié)構(gòu)下方的粉末局部燒結(jié)所致。

通常能夠在多個(gè)方向上完成一個(gè)零件的加工。我們應(yīng)選擇可實(shí)現(xiàn)最理想的零件自身支撐的擺放方向，以便盡可能降低加工成本并減少后期處理工作。

圖：一個(gè)零件通常可沿多個(gè)方向完成加工，擺放方向的選擇將大大影響支撐材料用量以及所需的后處理工作量。從左起：

- 大懸臂，需要大量的支撐材料（顯示為藍(lán)色）

- 修改設(shè)計(jì)，添加額外的錐形以減少支撐，結(jié)果可導(dǎo)致零件質(zhì)量增加，可能需要后處理加工 / 線切割加工

- 傾斜45度 — 除了一個(gè)局部最低點(diǎn)外，大部分采用零件自身支撐（詳情請(qǐng)參見下文）。下表層和上表層將呈現(xiàn)出不同的表面粗糙度

- 倒置，底面采用短支撐 — 加工時(shí)間縮短，但后期需要對(duì)支撐面進(jìn)行精加工

緊密附著在粉末床上，留出適合電火花 (EDM) 移除的毛坯余量 — 殘留應(yīng)力可能是個(gè)問題

- 與前一種方式相似，但附著區(qū)域較少，減少了應(yīng)力累積 — 從制造角度來看，這可能是最高效的設(shè)計(jì)

- 最后一種方法（未顯示）是將零件平放在托盤上。這可以降低加工高度，但也會(huì)限制可在加工托盤上擺放的零件數(shù)量，并且容易形成更大的殘留應(yīng)力。（來源雷尼紹）

最好是在零件設(shè)計(jì)過程的前期便使用加工文件處理軟件評(píng)估各個(gè)擺放方向，以確定最有效的方式。一旦做好決定，便可以在此基礎(chǔ)上繼續(xù)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。

-- 局部最低點(diǎn)

局部最低點(diǎn)是零件上未與下方粉末熔融層連接的任何區(qū)域。這些區(qū)域在加工過程中需要添加支撐來固定。如果在下方?jīng)]有支撐結(jié)構(gòu)的情況下開始加工，當(dāng)刮刀處理下一層時(shí)可能會(huì)造成第一個(gè)加工層發(fā)生位移，導(dǎo)致加工失敗。

來源雷尼紹

局部最低點(diǎn)可能會(huì)非常明顯，如上例所示。它們也可能出現(xiàn)在與零件邊緣相交的橫孔和斜孔的頂部（如下例所示）。

來源雷尼紹

特征擺放方向

如前所述，下表層的表面光潔度一般較差。如果我們要生產(chǎn)具有最佳精度的細(xì)節(jié)特征，那么最好將這些特征定位在零件的頂面，也就是上表層。嵌入下表層的細(xì)節(jié)特征很有可能會(huì)損失精度。

另一個(gè)要考慮的問題是零件相對(duì)于加粉刮刀的擺放方向。當(dāng)添加一層新的粉末時(shí)，刮刀會(huì)在粉末床上鋪開粉末，粉末逐漸被刮刀擠壓以形成新的密集層。當(dāng)材料被擠壓時(shí)會(huì)在粉末床上形成壓力波。該壓力波會(huì)與朝向刮刀方向傾斜的零件表面相互作用，向下擠壓粉末并向上擠壓零件的前邊緣。這可能會(huì)使零件鉤到刮刀上，導(dǎo)致加工失敗。請(qǐng)注意，柔性刮刀可以降低這種影響。

圖 ：加粉刮刀和零件斜邊的相互作用。來源雷尼紹

支撐和斜邊的擺放應(yīng)盡可能遠(yuǎn)離刮刀方向。通過旋轉(zhuǎn)零件，壓力波現(xiàn)在能夠以傾斜的角度沖擊零件，因此降低了零件變形的可能性。

如果無法通過旋轉(zhuǎn)調(diào)整位置，或零件是旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的，則可能需要添加支撐，而受影響的加工面可能需要進(jìn)行后期處理。

—“ 擺放設(shè)計(jì)建議”—

- 設(shè)計(jì)用于增材制造的零件的加工擺放方向應(yīng)明顯

- 設(shè)計(jì)師應(yīng)盡量創(chuàng)建自身支撐設(shè)計(jì)

- 加工成功是首要考量

- 殘留應(yīng)力和表面光潔度也是受擺放方向影響的重要因素

- 擺放方向可影響加工時(shí)間和成本

- 具有復(fù)雜幾何形狀的零件可能不太容易擺放 — 通常需要在表面質(zhì)量、細(xì)節(jié)、加工時(shí)間/成本和支撐結(jié)構(gòu)之間權(quán)衡取舍

- 設(shè)計(jì)師必須評(píng)估沖突因素以確定擺放方向

(責(zé)任編輯：admin)

• 3D打印太陽能塔或?qū)⒊蔀樵?/a>
• 如何干燥3D打印耗材：PLA
• 什么是G代碼？
• 關(guān)于3D打印中氧化鋯相關(guān)知
• Cura第一層設(shè)置：初始層
• 一文了解3D打印水凝膠

• ·3D打印太陽能塔或?qū)⒊蔀樵虑蚰茉吹慕鉀Q
• ·如何干燥3D打印耗材：PLA、ABS、尼龍等
• ·什么是G代碼？
• ·關(guān)于3D打印中氧化鋯相關(guān)知識(shí)
• · Cura第一層設(shè)置：初始層簡單解釋
• ·一文了解3D打印水凝膠
• ·珠寶如何3D打印？終極指南來了，請(qǐng)收好
• ·蠟材料如何3D打印：終極指南來了，請(qǐng)收