金屬3D列印過程中的模型擺放與方向技巧

最新 05-27

前段時間為大家介紹了金屬列印如何減少殘餘應力的技巧（原文：金屬3D列印技術解析之如何減少殘餘應力），受到了不少關注，還引發了幾個小範圍討論，也獲得了一些非常棒的建議，感謝大家！

今天我們就繼續為大家講講金屬3D列印過程中，模型的擺放與方向的注意事項。由於3D列印的成型過程都是沿著Z軸逐層累加成型，也就是垂直於基板方向，所以層和層之間的關聯方式就非常重要，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並形成牢固的焊接。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，那麼熔池下方區域至少有一部分會是未熔粉末。這些粉末的導熱性遠遠低於固體金屬，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。由於粉末導熱性很差，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於這部分粉末附著在懸臂區域的底面，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）。當粉末熔化過程發生在懸伸區域時，由於其下方是未熔粉末，因此需要更長時間冷卻，而多餘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於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化，甚至可以決定列印的成功與否。當零件有多種擺放方式可選的情況，我們應選擇可實現最理想化零件自身支撐擺放，以便儘可能的減少後期處理和降低加工成本。

圖：一個零件通常可沿多個方向完成加工，擺放方向的選擇將大大影響支撐材料用量以及所需的後處理工作量。

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，可能需要後處理加工 / 線切割加工

- 傾斜45度 — 除了一個局部最低點外，大部分採用零件自身支撐（詳情請參見下文）。下表層和上表層將呈現出不同的表面粗糙度

- 倒置，底面採用短支撐 — 加工時間縮短，但後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) 移除的毛坯餘量 — 殘留應力可能是個問題

- 與前一種方式相似，但附著區域較少，減少了應力累積 — 從製造角度來看，這可能是最高效的設計

所以零件列印首先要確定零件的擺放，然後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域。這些區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

特徵擺放方向

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徵很可能會喪失精度。或者在精度要求高的地方添加餘量，後期通過機加工來保證該特徵的精度。

另一個要考慮的問題是零件相對於刮刀的擺放方向。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，向下擠壓粉末並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。但並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。