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金屬3D打印-增材制

發(fā)布時間：2022-06-24 17:03:01瀏覽：7006點贊：

粉末床熔融金屬3D打印技術為構建具有自由形狀和復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)方式來制造這些設計復雜的零件

，則顯得非常不切實際

，甚至根本不可能完成

。增材制造技術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計任何想要的形狀

，至少在成本的約束下

，我們也不可能做到這一點。

在這方面

，金屬3D打印專家英國雷尼紹總結了一系列的增材制造設計指南

，在此，3D科學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，增材制造技術也有自己的優(yōu)勢和局限性

。例如

，對于采用激光粉末床熔融技術制作的零件，如果設計有懸伸部分 — 也就是具有要在未熔粉末的頂部進行熔融加工的位置 — 則可能需要設計一次性支撐才能順利完成加工

。這些支撐會增加加工時間

、消耗更多材料

，而且還需要額外的后處理來進行移除

。

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) 而設計的零件可能需要大量支撐，導致它們的制造效率偏低

。

來源雷尼紹

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)效率的諸多關鍵因素

，并解釋了設計師在開發(fā)高效的生產(chǎn)零件時應遵循的一些重要指導原則。

因素1：殘留應力

殘留應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

。每一個新的加工層都是通過如下方式構建的：在粉末床上移動聚焦激光，熔化粉末頂層并將其與下方的一個加工層熔合

。熱熔池中的熱量會傳遞至下方的固體金屬

，這樣熔融的金屬就會冷卻并凝固。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會出現(xiàn)收縮現(xiàn)象，但由于受到下方固體結構的限制

，其收縮會導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形成剪切力（右）。來源雷尼紹

殘留應力具有破壞性

。當我們在一個加工層頂部增加另一個加工層時

，應力隨之形成并累積

，這可能導致零件變形，其邊緣卷起

，之后可能會脫離支撐：

來源雷尼紹

這些效應在具有較大橫截面的零件中最為明顯

，因為此類零件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

，選擇一個最適合零件幾何形狀的方法。當我們用激光軌跡填充零件中心時

，通常會來回移動激光

，這一過程稱之為“掃描”。我們所選擇的模式會影響掃描矢量的長度

，因此也會影響可能在零件上積累的應力水平

。采用縮短掃描矢量的策略，則會相應減少產(chǎn)生的殘留應力：

迂回掃描模式

-完成每層掃描后旋轉67°

-加工效率較高

-殘留應力逐漸增加

-適合小

、薄特征

條紋掃描模式

-殘留應力均勻分布

-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5×5 mm的島狀區(qū)域

完成每層掃描后將整體模式和每個島狀區(qū)域旋轉67°

殘留應力均勻分布

適合大型零件

我們也可以在從一個加工層移至下一個加工層時旋轉掃描矢量的方向

，這樣一來，應力就不會全部在同一平面上集中

。每層之間通常旋轉67度

，以確保在加工完許多層后掃描方向才會完全重復。

加熱加工托盤也是用于減少殘留應力的一種方法

，而序后熱處理也可減少累積的應力

。

—“ 殘留應力設計建議”—

- 盡可能通過設計消除殘留應力

- 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

。請注意

，加工方向并非始終都是通用方向。應當選擇合適的方向

，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建起來的

，因此層與層之間的關聯(lián)方式非常重要

。當每一層熔化時，它需要下面的一層來提供物理支撐和散熱路徑

。

如果零件具有懸伸部分

，那么熔池下方區(qū)域至少有一部分會是未熔粉末。這些粉末的導熱性遠遠低于固體金屬

，因此來自熔池的熱量會保留更長時間

，導致周圍更多粉末燒結。結果可能是

，多余材料附著在懸伸區(qū)域的底面

，這意味著懸伸結構可能呈現(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）。當粉末熔化過程發(fā)生在懸伸區(qū)域時

，由于其下方是未熔粉末

，因此需要更長時間冷卻，而多余的材料可能會附著在零件的底面

。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度的懸伸結構需要支撐。

懸伸表面被稱為下表層

。它們通常會呈現(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致懸伸結構下方的粉末局部燒結所致。

通常能夠在多個方向上完成一個零件的加工

。我們應選擇可實現(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：一個零件通?div id="d48novz" class="flower left">

？裳囟鄠€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（顯示為藍色）

- 傾斜45度 — 除了一個局部最低點外

，大部分采用零件自身支撐（詳情請參見下文）

。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 — 加工時間縮短，但后期需要對支撐面進行精加工

緊密附著在粉末床上

，留出適合電火花 (EDM) 移除的毛坯余量 — 殘留應力可能是個問題

- 與前一種方式相似

，但附著區(qū)域較少，減少了應力累積 — 從制造角度來看

，這可能是最高效的設計

- 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力

。（來源雷尼紹）

最好是在零件設計過程的前期便使用加工文件處理軟件評估各個擺放方向，以確定最有效的方式

。一旦做好決定

，便可以在此基礎上繼續(xù)進行詳細設計。

--局部最低點

局部最低點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)]有支撐結構的情況下開始加工，當刮刀處理下一層時可能會造成第一個加工層發(fā)生位移

，導致加工失敗

。

來源雷尼紹

局部最低點可能會非常明顯

，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）

。

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。嵌入下表層的細節(jié)特征很有可能會損失精度

。

另一個要考慮的問題是零件相對于加粉刮刀的擺放方向

。當添加一層新的粉末時，刮刀會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

。當材料被擠壓時會在粉末床上形成壓力波。該壓力波會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

。這可能會使零件鉤到刮刀上，導致加工失敗

。請注意

，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盡可能遠離刮刀方向

。通過旋轉零件，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

。

如果無法通過旋轉調(diào)整位置，或零件是旋轉對稱的

，則可能需要添加支撐

，而受影響的加工面可能需要進行后期處理。

—“ 擺放設計建議”—

- 設計用于增材制造的零件的加工擺放方向應明顯

- 設計師應盡量創(chuàng)建自身支撐設計

- 加工成功是首要考量

- 殘留應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間和成本

- 設計師必須評估沖突因素以確定擺放方向

(責任編輯：admin)

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