【經驗分享】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中國代理商，三的部落經常撰寫一些金屬3D打印相關的技術文章，南極熊會分享給廣大熊友。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”技術文章，先分享給大家：

前段時間為大家介紹了金屬打印如何減少殘余應力的技巧（原文：金屬3D打印技術解析之如何減少殘余應力），受到了不少關注，還引發(fā)了幾個小范圍討論，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。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聯(lián)方式就非常重要，當新的一層融化時它需要下一層提供物理支撐和導熱。

熔融和懸臂

當激光熔化粉末層時，如果粉末層下方為固體金屬，則熱量會從熔池傳遞至下方結構，這會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，此處熔池也將快速凝固，因為熱量已被下方固體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。由于粉末導熱性很差，熱量會聚集在懸臂部分下方粉末中，這部分粉末會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。

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構，這一部分通常稱為下表面，下表面的表面粗糙度通常會比垂直壁面和上表面更為粗糙，下方粉末導熱差，熔池冷卻速度變慢，導致下方粉末局部燒結，這部分燒結的粉末會粘在零件下表面。這時零件擺放就顯得尤為重要，它不僅能使任務零件性能優(yōu)化，甚至可以決定打印的成功與否。當零件有多種擺放方式可選的情況，我們應選擇可實現(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：一個零件通?？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）

- 修改設計，添加額外的錐形以減少支撐，結果可導致零件質量增加，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

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上對零件進行接下來的設計處理。

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。如果在下方沒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。

△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非常差。所以我們要生產精度要求高的零件時盡量使精度要求高或配合面放在上表面。因為下表面的零件特征很可能會喪失精度?；蛘咴诰纫蟾叩牡胤教砑佑嗔?，后期通過機加工來保證該特征的精度。

另一個要考慮的問題是零件相對于刮刀的擺放方向。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粉末層。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。柔性刮刀會降低這種影響。但并不是說柔性刮刀一定好，這要根據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盡可能與刮刀成一定角度。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。

擺放建議

打印成功是首要考量！

設計師設計增材制造零件的加工擺放方向應明顯。

擺放方向與殘余應力和表面粗糙度都有重大關系。

擺放方向對加工成本和加工時間有重大關系。

復雜結構零件的擺放很難兼顧支撐、表面粗糙度、加工時間、成本、細節(jié)，使樣樣都達到完美狀態(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的手段，使之達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。就算我們在可以容忍支撐成本和后處理，但是這會給批量生產帶來嚴重的困擾，這種浪費在批量生產中是難以接受的。

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