【經(jīng)驗(yàn)分享】金屬3D打印過程中的模型擺放與方向技巧

作者：三的部落

作為SLM Solutions中國(guó)代理商，三的部落經(jīng)常撰寫一些金屬3D打印相關(guān)的技術(shù)文章，南極熊會(huì)分享給廣大熊友。2018年5月27日，南極熊注意到三的部落發(fā)布了一篇題為“金屬3D打印過程中的模型擺放與方向技巧”技術(shù)文章，先分享給大家：

前段時(shí)間為大家介紹了金屬打印如何減少殘余應(yīng)力的技巧（原文：金屬3D打印技術(shù)解析之如何減少殘余應(yīng)力），受到了不少關(guān)注，還引發(fā)了幾個(gè)小范圍討論，也獲得了一些非常棒的建議，感謝大家！

今天我們就繼續(xù)為大家講講金屬3D打印過程中，模型的擺放與方向的注意事項(xiàng)。由于3D打印的成型過程都是沿著Z軸逐層累加成型，也就是垂直于基板方向，所以層和層之間的關(guān)聯(lián)方式就非常重要，當(dāng)新的一層融化時(shí)它需要下一層提供物理支撐和導(dǎo)熱。

熔融和懸臂

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)再次熔化下方固體金屬并形成牢固的焊接。隨著激光掃描零件其他部分時(shí)，此處熔池也將快速凝固，因?yàn)闊崃恳驯幌路焦腆w金屬部分有效傳遞出去。如果零件具有懸臂部分，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(zhǎng)時(shí)間，導(dǎo)致周圍更多粉末燒結(jié)。由于粉末導(dǎo)熱性很差，熱量會(huì)聚集在懸臂部分下方粉末中，這部分粉末會(huì)融化的不充分以至于這部分粉末附著在懸臂區(qū)域的底面，這會(huì)造成懸臂部分下表面的變形或者非常差的表面粗糙度。

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(zhǎng)時(shí)間冷卻，而多余的材料可能會(huì)附著在零件的底面。

擺放

一般來講與水平角度小于45°的部分需要添加加支撐結(jié)構(gòu)，這一部分通常稱為下表面，下表面的表面粗糙度通常會(huì)比垂直壁面和上表面更為粗糙，下方粉末導(dǎo)熱差，熔池冷卻速度變慢，導(dǎo)致下方粉末局部燒結(jié)，這部分燒結(jié)的粉末會(huì)粘在零件下表面。這時(shí)零件擺放就顯得尤為重要，它不僅能使任務(wù)零件性能優(yōu)化，甚至可以決定打印的成功與否。當(dāng)零件有多種擺放方式可選的情況，我們應(yīng)選擇可實(shí)現(xiàn)最理想化零件自身支撐擺放，以便盡可能的減少后期處理和降低加工成本。

圖：一個(gè)零件通?？裳囟鄠€(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)

所以零件打印首先要確定零件的擺放，然后在確定的擺放位置的基礎(chǔ)上對(duì)零件進(jìn)行接下來的設(shè)計(jì)處理。

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。

△在零件邊緣相交的橫孔或斜孔的頂部

特征擺放方向

上文說過，下表面的表面粗糙度會(huì)非常差。所以我們要生產(chǎn)精度要求高的零件時(shí)盡量使精度要求高或配合面放在上表面。因?yàn)橄卤砻娴牧慵卣骱芸赡軙?huì)喪失精度?；蛘咴诰纫蟾叩牡胤教砑佑嗔?，后期通過機(jī)加工來保證該特征的精度。

另一個(gè)要考慮的問題是零件相對(duì)于刮刀的擺放方向。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粉末層。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。柔性刮刀會(huì)降低這種影響。但并不是說柔性刮刀一定好，這要根據(jù)工藝和材料還有鋪粉模式來選用柔性或剛性刮刀。

斜邊和支撐的擺放應(yīng)盡可能與刮刀成一定角度。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。

擺放建議

打印成功是首要考量！

設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)增材制造零件的加工擺放方向應(yīng)明顯。

擺放方向與殘余應(yīng)力和表面粗糙度都有重大關(guān)系。

擺放方向?qū)庸こ杀竞图庸r(shí)間有重大關(guān)系。

復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的擺放很難兼顧支撐、表面粗糙度、加工時(shí)間、成本、細(xì)節(jié)，使樣樣都達(dá)到完美狀態(tài)，需要工程師自行取舍。畢竟魚與熊掌不可兼得。但我們可以通過技術(shù)的手段，使之達(dá)到盡量接近目的的狀態(tài)。

總之零件擺放是增材制造過程中非常重要的一環(huán)，依靠支撐來克服擺放問題并不是理想的增材制造過程。就算我們?cè)诳梢匀萑讨纬杀竞秃筇幚?，但是這會(huì)給批量生產(chǎn)帶來嚴(yán)重的困擾，這種浪費(fèi)在批量生產(chǎn)中是難以接受的。

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