重磅干货:增材制造设计的基本准则要素

3D打印直播
2020
04/10
17:51
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2020年4月,南极熊将发布以“如何把3D打印制造引入工业应用生产”为主题的重磅系列干货研究报告,非常专业,让你了解这个技术产业化应用的难点、方法、窍门。

原内容出自:欧洲耗时两年、耗资210万欧元的研究项目《AM 4 Industry》
译者:北京化工大学英蓝实验室  吴怀松、何其超、程月、王皓宇、张秀、刘俊丰

报告:

下面是报告《增材制造设计的基本准则要素》

增材制造设计的基本准则要素

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目录
1简介        1
1.1为什么使用增材制造( AM)?        1
1.2对于复杂形状的设计有什么指导?        4
2 AM的主要方面        7
2.1不同的技术        7
2.1.1容器内光聚合(SLA)        7
2.1.2材料挤出(又名熔融沉积模型——FDM)        9
2.1.3材料喷射        11
2.1.4粘结剂喷射        12
2.1.5粉末床熔合        13
2.1.6定向能量沉积        15
2.1.7片层压        16
2.1.8总结        16
2.2原材料        17
2.3支撑结构        22
2.3.1在AM为什么需要支撑?        24
2.3.2我们为什么要去除支撑?        28
2.3.3设计师能做什么?        31
2.4表面质量        34
2.4.1原材料的影响        34
2.4.2工艺偏差的影响        36
2.4.3层厚影响        39
2.5准确度        40
2.6时间方面        41
3  对设计的影响        41
4结论        43

插图
图 1:用于注塑面临的限制的基本设计规则        1
图 2:加工过程中的刀具可接近性问题,降低了可实现的几何复杂性        2
图 3:增材制造与传统制造业相比的成本效益机会(绿色区域        2
图 4:拓扑优化(右侧,白色显示)的一个传统的做法(左侧,显示深灰色)        5
图 5:“自上而下水流”的思维方式来预测增材制造中的热问题        6
图 6:增材制造系列        7
图 7:容器内光聚合原理,带激光        8
图 8:带DLP的容器内光聚合        9
图 9:带DLP的容器内光聚合        10
图 10:AM中的典型粗糙度分布(线基或粉末基工艺        10
图 11:材料喷射原理        11
图 12:粘合剂喷射原理        12
图 13:粉末床熔合(激光金属)原理        13
图 14:选择性激光烧结原理        15
图 15:定向能量沉积原理        16
图 16:SLS过程结束时的原材料去除步骤        18
图 17:将要生产的空心立方体        18
图 18:当第一层被制造时,所有区域都被激光加工        19
图 19:中间层制造时,侧壁被激光加工        19
图 20:最后一层的处理密封立方体        19
图 21:考虑“更容易清洗”的设计修改        20
图 22:从组件功能开始的设计过程。传统与AM设计方法的比较        20
图 23:外部组件中带有集成粉末排出通道的球头        21
图 24:采用排粉方法的车轴设计        21
图 25:内部已成功清洗的复杂零件示例        22
图 26:支撑结构与实际零件体积的比较示例        23
图 27:根据选定的零件方向,需要支撑的突出区域        23
图 28:支撑加固第一层        24
图 29:SLA过程中实际支撑加固部件的示例        25
图 30:缺少支撑对悬壁区域的影响。越长,效果越差        25
图 31:由于支撑结构缺失,热疏散不良,导致部分坍塌        26
图 32:由于缺乏支撑,悬挑长度对下表面质量的影响,导致散热不良        26
图 33:表面方向对表面质量的影响        27
图 34:两种不同层配置的俯视图        27
图 35:由于支撑结构薄弱,无法抵消内部热应力,导致零件在加工过程中分层        28
图 36:设计调整示例,以便于加工后拆除支撑        29
图 37:支撑连接对区域表面质量的影响-1        30
图 38:支撑连接对区域表面质量的影响-2        30
图 39:AM中的主要设计提示。尽可能“垂直”地设计零件        31
图 40:“垂直”设计,特别适合AM,减少了对支撑结构的需求        33
图 41:在较短的节段中重新设置长度,以避免导致弯曲的高应力(与直线长度成比例        33
图 42:部分熔融粉末颗粒对表面的影响,粗糙度增加        34
图 43:金属粉末的粉末床熔化过程的实际表面形貌        34
图 44:层厚对表面质量的影响,主要是“台阶效应”        35
图 45:制造方式选择的影响。层厚相同:左侧FDM,右侧SLA        36
图 46:层密度变化对热过程的影响        37
图 47:长(下)和短(上)冷却时间之间的过渡线在小零件的制造结束后        37
图 48:生成“收缩线”的连续步骤        38
图 49:由于局部粉末分布不均匀,导致熔体质量差,可以看见明显的线条        38
图 50:50层厚对表面质量和制造时间的影响        39
图 51:由于零件几何形状而产生“台阶效应”的区域        39
图 52:组件功能的3D地图定义        42
图 53:第一个简化设计方案        42
图 54:相同的设计但不同的对齐方式可以改变所需的支持数量        43
图 55:根据所选方向调整设计,以尽量减少后处理操作        43

1.简介
增材制造(AM)可以制造任意几何形状的零件,因此设计师容易设计出令人惊叹的几何图形,但是零件的质量不一定可以满足设计师的需求。零件可出现能变形、表面质量差、光洁度可能低于预期或超出公差范围等问题。

设计师可以做些事情来解决这些问题,考虑一些基本的因素将使它们的零件更易于制造。如果制造工艺更容易一些,最终质量也会提高,甚至有时能在不牺牲性能的情况下降低成本。

本文档旨在介绍各种增材制造机器的工作原理,这将有助于读者理解为什么增材制造中会有一些设计规则,以及为什么它们存在。
这样,设计师可以为选定的增材制造技术创建优化的形状,这意味着更好的完工后的质量和更低的后处理成本。
这项工作由Sirris研究中心进行,是Cornet项目AM4I工业增材制造的一部分。

1.1为什么使用增材制造( AM)?与传统制造的相对成本计算
使用传统技术(如机械加工和注射成型)有很多优点。所有的减法工艺(电火花加工、车削、铣削等)都能在所有可使用的材料上制造出反射表面光洁度和微米级精度的零件精度。注塑成型有相当多的设置,但一旦设置好这些设置,产量(每时间单位的零件产量)是非常高的,这通常是批量生产的唯一方法。
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图 1:用于注塑面临的限制的基本设计规则

但是,这个行业面临的挑战越来越复杂,以至于有时用传统的技术根本无法实现满足特定功能的几何结构,有时这是由于在加工过程中工具的可接近性,或是由于必须在注塑过程中打开模具才能在不损坏零件的情况下取回零件,有时,这仅仅是因为产品太小(单个产品),不符合成本效益,也不值得为此付出工具成本。
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图 2:加工过程中的刀具可接近性问题,降低了可实现的几何复杂性

上述相当严重的限制可能会阻碍零件变得更轻、更高效、更快,或者早期原型无法更早地用于重复和改进它们。此外,在成本方面,传统技术的能力可以大致估计,增材制造相关的机会出现了 。
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图 3:增材制造与传统制造业相比的成本效益机会(绿色区域

图3显示了在传统制造(CM)中哪些是具有成本优势的,以及在使用增材制造( AM)时什么时候是更有经济效益的。
众所周知,对传统方法生产的零件数量而言,机器生产的零件量越大,单位成本就越低,如果要生产的数量减少太多,模具成本会使相对成本太高而变得无利可图。这一部分由蓝色曲线表示,虚线限制表示生产的零件数量变得太少。

与传统加工成本相关的几何复杂性而言,这种趋势更像是红色曲线。低复杂度意味着低成本,但如果零件对于技术来说太复杂,则成本可能会变得太大,或者由于技术原因而无法制造,此限制用红色虚线表示 。

如果考虑增材制造(绿色虚线),那么目前生产单个零件是相当昂贵的(位于图的右侧)。另一方面,高昂的价格不会随着生产零件的数量或其复杂性而有太大的变化。假设增材制造中的在两种情况下与传统制造业相比是更具经济效益的:
•可能制造非常复杂的零件
•需要少量的零件

这也意味着,如果选定的部分在图中绿色区域的其他位置(生产成本较低,不太复杂,数量相当大),则不应使用增材制造来生产它们,否则将亏本,或存在与当前增材制造不确定性相关的风险。

增材制造( AM)有许多优点:
•与机械加工相比,优化设计可明显的减少材料浪费。
•由于采用逐层堆叠方法,可以很容易控制加工零件内部,因此设计师可以实现比传统技术更复杂的设计(内腔、轻质结构、通道等)。
•单步制造消除了制造过程中的工装,无需模具或特殊装置将零件放置在机器中。
•能加工聚合物、金属和陶瓷中的多种材料。
•粗略地说,几何复杂度不会增加成本。换句话说,传统技术很难做一个非常轻,有3D网格、集成通道和链接的零件,在同等高度和材料体积的立方体块情况下。
•可以在一次操作中生产制造不同的零件(尺寸、复杂度等),而模具只能生产固定设计的模型。
•一些增材制造技术可以生产由不同材料制成的零件。
•一些功能(弹簧、铰链、齿轮、旋转轴等)可以集成设计,这不需要任何后组装步骤,而可以直接从 增材制造机器完成 。
•从CAD制图开始到制作成成品准备使用,生产一个标准体积(300 x300x400 mm3)的周期通常是不到一个星期,它对于早期迭代开发的产品非常实用,随后是注塑模具的大规模生产。
•适应,标签,纹理,保形冷却通道,减重,都变得便宜多了。

但当然也有一些局限性需要注意:
•对于小于100毫米的工件,在标准的调幅机床上可获得的最佳几何精度为0.1毫米。超过这个尺寸,必须考虑0.1%。根据材料、工艺和零件体积的不同,这个值甚至可以达到0.3%。因此,后期处理通常是必要的。
•打印尺寸有限制,例如难以一次打印生产大型零件,如汽车保险杠或桌子。平均而言,目前SLM激光金属3D打印工业机器可达到的最大尺寸约为800毫米 。但也有可以生产4000x2000x1000毫米的砂型,甚至有混凝土墙的房屋,或一个由“聚合物+碳”挤出机制造的小型车辆外壳。
•许多AM技术需要支撑结构。粗略地说,这种结构将零件连接到构件平台。它可以防止部件在制造过程中移动。它是由机器和零件本身同时制造的。麻烦的是,这种结构必须在制造后拆除,这需要一个完成步骤来从零件上拆除支撑。该结构在第2.3节中有更详细的描述。
•制造完成后,原材料在零件周围、空腔、缝隙、通道、孔等处随处见,如果设计没有考虑到这一点,那么将这种原材料从狭窄的空间中清除是非常困难的(见第2.2节)。
•有些技术生产具有各向异性机械性能的零件,特别是廉价的机器和“巨大”的层厚(>100μm)。然而,在大多数AM技术中,这种机械各向异性不是很明显。


一个好的设计师是AM领域最宝贵的资源。他能够调整零件的形状以满足要求,而且也能够考虑到所有有利于制造和后处理的因素。
高效和易于生产的设计是使AM盈利的唯一途径。

1.2对于复杂形状的设计有什么指导?
现在,AM正在打开一个可以实现几何复杂性的全新空间,设计师们变得越来越强大,有点像哆啦A梦:可以制造出大量新奇有趣的东西。但有困难!幸运的是,有一些软件使得拓扑优化成为可能。

为了简化问题,这种软件的目标是在给定的可用体积中,分配预定义的材料量,以便通过最大化刚度等标准优化对特定荷载情况的响应。这种软件的输出是指定体积的体素化,其中每个体素都有一个计算的密度(从最关键的体素的100%全密度到参与较少的体素的0%空体积)。然后,用户选择应作为触发器的密度值。例如,他可以决定触发密度应该是50%。密度高于50%的每个体素将被设置为“完全密度”,值低于50%的每个体素将被视为空。这一过程产生具有最佳质量分布的非常有机的形状。然后,必须在FEM中对模具进行测试,以检查其在施加载荷下的性能。如果没有优化(太脆弱、太重或太薄),则必须检查迭代循环以更改密度触发器并考虑更多或更少的材料。图4显示了零件重量改进的示例:
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图 4:拓扑优化(右侧,白色显示)的一个传统的做法(左侧,显示深灰色)


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图 5:“自上而下水流”的思维方式来预测增材制造中的热问题

此外,所有制造问题都与过程中通过零件的热流有关,或者与悬臂部分有关。促进AM组件的制造和减少后处理的一种有效方法,设想水必须在每层的选定位置从上到下自由地流过(想象中的空心)组件。下面是几个例子。

简要说明:如果必须制造图5中的“L”形零件,可以选择机器中的几个位置。对于位置1,第一层的横截面相当大。所以可以提供很多能量来熔化粉末,还有很多能量可以到达平台。当比较“自上而下水流”时,假设该部分被挖空,使其成为具有相同横截面的管道。按比例有大量的水需要疏散(因为横截面很大),如果有大的区域(大量能量需要分散)或一个收缩的管道低于当前层的某处,可能导致“溢出”(过热)。这有时是一个危险的情况,但设计和选择的方法可以处理这个问题。在位置1的下一个步骤中变得更容易(直下,没有缩颈,很少能量输入),因此在这个配置中,一切都应该很好,即使早期阶段需要仔细检查。

在位置2,初始层和中间层将非常简单(恒定截面,较少的能量输入),但会在最终层造成许多问题。用于排出“溢流”的部分比输入部分要薄得多。而且,这种变化非常突然,悬臂区左侧的“水滴”没有得到适当疏散。根据“水流”的考虑,在实际过程中这种“水滴”积聚被解释为热量积聚,即导致该区域堵塞,部分部件可能分层或扭曲。

AM设计师的目标是画出没有悬挑区域、没有积水区域以及最薄区域的零件,以减少散热。

2 AM的主要方面
2.1不同的技术
在增材制造中,有几种不同的制造零件的方法。美国材料试验学会目前提供七类。它们都显示在下图的顶部:
由于它们的工作方式不同,如果要为选定的方法设计一个零件,每一种方法遵守一些特殊的规则。让我们简单地考虑一下不同的原则:
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图 6:增材制造系列

2.1.1光聚合(SLA)
这种技术的原料是一种液体树脂,它是一种光敏聚合物。当来自灯或激光的紫外光照射到这种液体时,它就会局部凝固。

这台机器看起来有点像油炸锅。首先在液体表面下方(约0.02毫米)放置一个穿孔板,并用紫外线激光跟踪该组件的核心和平板上第一层的轮廓。从而聚合或固化板孔周围的液体。因此,第一层锚定在板上。然后,再将板更深地水平放入相同量(约0.02mm)的液体中,以允许一些树脂在前一层上形成薄膜。然后,紫外激光聚合第2层,并重复该过程,直到生产出所有零件。最后,该板位于树脂箱的底部,该部分位于液体表面和该板之间。技术员可以把板上面的零件拿出来,就像人们从油锅里拿出炸薯片一样。
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图 7:容器内光聚合原理,带激光

围绕这一原则可以看出一些技术差异:
一个单束激光通常需要很长时间来处理一整个层。因此,带有紫外线灯的投影仪也可以在一次闪光中处理整个表面。粗略地说,这比激光要快,但根据投影仪的分辨率,零件的边缘可能会轻微变形,而激光会使曲线平滑。

一罐和你想生产的零件一样大的树脂可能要花费很多钱(一些仿制ABS的树脂可能要300欧元/升左右)。因此,一些技术人员更喜欢在投影仪所在的透明玻璃上涂少量树脂。它还使用一个从液体向上移动的板,固体固定在上面,而不是向下进入树脂罐。
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图 8:带DLP的容器内光聚合

该技术的优点是零件保持一定的精度和表面质量。表面没有粘性的粉末颗粒,打印完成后甚至可以透明。变形是很细微的,最小变形可以达到0.1毫米,对于珠宝行业十分有用。

但是,根据应用情况,材料的老化可能是一个问题。在阳光下晒一段时间后,这种材料会变得比预期的更脆。
DSM-Somos是主要的增材制造的树脂制造商之一,可以提供各种不同性质的材料。相关的数据表也可以在他们网站上找到。

2.1.2材料挤出(又名熔融沉积模型——FDM)

这项技术的工作就像牙膏涂在牙刷上一样。原料是一种普通的聚合物(聚乳酸,ABS,PP,PS等),通常呈线状,通过加热的喷嘴进行机械施压。这会使聚合物稍微熔化。在出口处,熔珠被压在前一层上,打印头在工作区内移动以打印轨迹。该零件是通过堆叠轨道生产的。
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图 9:带DLP的容器内光聚合

这项技术非常适合生产空心零件,如管道、外壳或外壳。主要原因是喷嘴的位移速度,与反射镜驱动的激光点相比,喷嘴的位移速度非常有限,后者可以达到每秒几米。为了达到合理的生产速度,增材制造系列挤压材料比其他增材制造聚合物技术沉积更厚的层(>0.1 mm),并尽量减少填充组件芯,即使它需要做很少的外部轮廓。因此,目标不是要生产出一个完整、致密的零件,而是要生产出一个足够厚、能够产生足够强度的外壳。该工艺允许在负载情况允许的情况下更快地生产批量和大量组件。

使用金属丝代替粉末的优点是表面光洁度,即使层迹清晰可见且具有显著的粗糙度,表面也相当光滑。
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图 10:AM中的典型粗糙度分布(线基或粉末基工艺

此外,由于不存在粘性粉末颗粒,因此表面非常干净,不存在松散的材料残留物。
但是,材料挤压所能达到的最小精度并不是很够。与其他AM聚合物技术相比,很难找到小于1mm的最小壁厚,并且力学性能的各向异性也非常明显。
这些挤出技术应用的材料非常广泛。甚至还有一些复合电线(聚合物+纤维或金属粉末混合),有些技术还可以直接使用注射成型或金属注射成型(MIM)的颗粒。

2.1.3材料喷射
其目的是沉积感光液体材料(聚合物),就像纸打印机使用传统墨水一样。在机器内部有一个打印头,可以像素化图层,并选择哪种材料存放在哪种像素。由于它是一个多喷嘴打印头,其中一些可以沉积白色和强大的材料,而其他可以沉积黑色和韧性材料。在新技术中,最多可以同时使用六种材料,包括透明材料。
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图 11:材料喷射原理

这允许用户设定任何体素的一部分的化学成分、机械性能、颜色、透明度等。

由于沉积液滴很小,因此所需的支撑结构非常致密和狭窄,以支撑从打印头上落下的树脂液滴。它看起来更像是一个“泡沫”,而不是网格/三维网格结构。因此,与所需支撑数量相比,采用该技术浪费的材料非常多。幸运的是,这种特殊的支撑材料可以很容易地被水射流移除,即使这种材料非常膨胀。

材料性能与立体光刻/容器内光聚合中使用的所有环氧树脂/丙烯酸酯树脂相同。由于紫外线照射,材料的老化仍然是一个问题;随着时间的推移,零件会变得更脆。
由于校平(层厚小于14μm),该工艺在Z方向的精度非常好,与激光的平滑轮廓相比,XY平面中的轮廓略微像素化(约600 dpi分辨率)。

在使用这种技术时,几乎没有影响精度的现象。其优点是非常容易处理;不需要工程知识;几乎所有的设计都是自动化的(包括支撑生成),适应性强。

2.1.4粘结剂喷射
粘合剂喷射包括在每一层和两个连续层之间将粉末颗粒粘合在一起。粘合剂/胶水以小液滴的形式从打印头上沉积下来,可以在整个工作表面上移动。
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图 12:粘合剂喷射原理

有时可以在与粘合剂平行的部件轮廓上涂上颜色。

这适用于白色粉末,如石膏。即使零件在打印完成后状态下是易碎的(大约40%的孔隙率,取决于粉末的大小和分布),对于一些不需要强度的美学演示来说,这可能就足够了。零件可以通过涂覆固化涂层(如树脂或清漆)进行加固。

有些金属零件也是这样做的。为了消除粘合剂表面的弱点,有两种选择:一是零件打印完成后在炉中烧结。烧结是一种热过程,使粉末颗粒之间的间隙稍微缩小。由于在烧结过程中不添加任何材料,所以会出现明显的收缩(体积减少20%以上)。如果零件很小,则可以对该过程进行控制和补偿,使最终几何图形非常接近原始CAD模型。对于较大的零件,由于收缩而产生的位移非常明显,因此会发生变形,并且零件很快超出公差范围。优点是材料方面比较单一,精度和表面质量都比较好,但几乎只适用于小零件(< 50mm)。

第二种选择是渗透多孔“填充”材料,为此选择合适的渗透剂。这就需要一种熔点比3D打印材料的熔点低的材料,并且二者在高温下具有良好的润湿性。比较良好的组合如:用316L不锈钢制成的零件,渗有青铜。由于渗有其他物质的特性,在高温下表面易会融化。由于后者是多孔的,并且具有良好的润湿性,渗透可以通过毛细作用穿透该组分,并填充粉末颗粒之间的所有间隙,以获得良好的最终机械性能。这大大减少了收缩,可以生产更大的零件。由于热熔发生在熔炉中,加热和冷却速度很慢,从而将内应力降至最低。这种方法允许生产更大的零件(高达800毫米),体积更大的零件。缺点是“复合方面”(不是单一材料)和粗糙度类似于砂型铸造。

2.1.5粉末床熔合
在这种情况下,目的是用能量束(激光或电子束)选择性地熔化粉末层。当能量点在粉末上移动时,形成一条焊接路径。这样,就可以覆盖所有组件区域。完成一层后,工作板向下移动一段与该层厚度相对应的距离(30-90μm),并用刮片涂抹新的粉末层。在标准的机器上运作时,每层的平均处理时间在30秒到2分钟之间(取决于融化面积的比例),重复该过程,直到零件完全制造完毕。

2.1.5.1激光熔化金属粉末(LBM)

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图 13:粉末床熔合(激光金属)原理

由于这一原理,熔化池的冷却非常快(一种局部淬火),导致金属中的高热应力。如果不解决这个问题,部件会因这些应力而变形。为了防止零件扭曲,必须将其固定在足够坚硬或厚而不会弯曲的刚性板上。零件与板材之间的连接为“支撑结构”,由机器在加工过程中与零件同时制造。其目的是创造一种牺牲结构(由与部件相同的材料制成),其强度足以避免变形,但在消除应力退火后易于机械移除。这种热处理是在打印完成后进行的。所有部件仍固定在底板,被放置在一个传统的热处理炉中进行循环应力消除。

这一步如果控制得当,将没有残余应力残留,零件几乎没有变形。然后,必须使用机加等手段拆除支撑结构,如果支撑太多,则需要花费时间和成本。
激光熔融金属3D打印,可以制造出良好的金属零件,最小壁厚约0.2毫米。表面光洁度和零件密度好,可用材料范围大,机械性能大致位于铸造和锻造之间(甚至达到锻造水平)。

缺点是支撑结构。零件越大,就需要更多的支撑来防止变形,特别是当截面在水平面(收缩截面)较长时。在标准机器(SLM Solution的SLM 800)上,激光技术可以达到的打印尺寸为500x280x800 mm。也有一些特殊的尺寸,例如来自GE的BETA(ATLAS项目-1100x1100x300 mm)。

2.1.5.2电子束熔化金属粉末(EBM)
如果热源是电子束,就有一些明显的区别。首先,电子束是在真空条件下。因此,机器结构比激光技术强得多;激光技术主要是在氩气氛下。真空也可以达到很好的隔热作用。机器在打印成型仓内达到700-1000°C。这导致生产过程中几乎“无”冷却,即“无”热应力。因此,与通常在200°C下工作的激光技术相比,该工艺需要的支撑要少得多。其主要任务是驱走热量,而不是避免变形。这允许制造更大的零件,但材料范围更为有限(钛、钴铬合金和镍合金)。

电子束的缺点是周围粉末的烧结(通过高温预热),和激光技术相比,表面质量差点(Ra20-35μm)。未完全熔融的烧结粉末更难从内腔中去除,因为未经改变的粉末很容易通过倾斜而离开零件。

2.1.5.3激光熔化聚合物粉末(SLS)
粉末床应用于PA、TPU、PP、PS等高分子材料时,无需支撑。这是因为燃烧室内的温度约为熔点的95%。因此没有冷却,即没有热应力。以至于零件周围的烧结粉末足以作为支撑。直接的优点是零件可以堆放在打印成型堆中,从而提高生产率。此外,不需要拆下焊接到零件上的支撑。然而,去除部件周围的烧结的粉末可能会很繁琐,特别是在狭窄的空腔中。
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图 14:选择性激光烧结原理

此外,加工过程中机器内部的高温加速了原料的老化。例如,新一批粉末通常是50%原始粉末+50%回收粉末的混合物,用于PA12。20%新+80%回收对TPU更好。当然,还有一个成本因素。

设计师尝试将粉末床熔合应用于金属粉末的目的之一是,通过设计一个没有向下水平表面的部件来摆脱支撑(见2.3)。换句话说,就是要设计一个没有横截面的自立式设计。

2.1.6定向能量沉积

这是一种和铣床完全相反的方法。铣床是把材料去掉,而定向能量沉积是增加材料。安装在机器人或CNC机器上的多轴喷嘴将安装指定路径焊接在一起,从而开始制造零件;也可以修复或覆盖现有的零件。原料可以是粉末或丝材,包括金属或陶瓷材料。下面是熔化温度高的材料的熔融沉积模型。

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图 15:定向能量沉积原理

一个好的方面是,这项技术可以在非平面上工作。这使得厚涂层(从0.1毫米到几毫米)或3D功能可以应用或添加到复杂的部件。

此外,使用通过喷嘴吹出的粉末流,而不是使用刮片进行粉末的分配,具有改变材料组成的优点。不同阀门可以调节来自不同容器的粉末流,以便在制造过程中逐渐混合。这造成了不同CTE的合金,如金属和陶瓷,可以焊接在一起。这是通过在一定层数上的两层之间的平滑过渡来实现的,这会稀释产生的应力强度。
该技术在刀具可及性方面与传统铣床具有相同的局限性。一般来说,喷嘴和零件之间的距离小于15 mm。因此,填充深槽或内腔内部可能很困难。

另一点是制造过程中热量变化。当零件变热时,下部的特性与上部的不同。根据零件的不同,这可能重要,也可能不重要。
制造过程中的稳定性很难实现。这可能是它在基于传感器测量实现闭环控制的原因。

2.1.7片层压

这是增材制造中不太常见的技术。其目的是切割具有所需形状(要生产的部分)的材料(聚合物、金属、纸张等),然后将其堆叠并连接在一起。因此,它是减法和加法制造的混合体。
这是一种廉价且清洁的技术(空气中没有粉末或化学蒸汽)。但与其他技术相比并不十分流行。

2.1.8总结
要选择好的增材制造技术,必须按照优先级顺序考虑不同的零件需求。各方面都达到标准是很难的,所以这是一个寻找最佳方案的过程。此外,在这个选择步骤中没有什么是简单的,需要对比。

然而,如果要从上面描述的技术中进行选择,提出一个(非常粗略的)指南,基于最重要的需求选择,它可能如下:
  • 最佳表面光洁度:树脂打印是最好的,然后是选择激光基材料(金属或聚合物)。
  • 制造大型的零件:避免快速和强烈冷却的热过程。
  • 制造高精度的零件:激光技术(先是树脂,然后是粉末)
  • 简单的后处理:避免使用需要支撑的技术。特殊情况下,材料中的支撑不是零件本身的材料,可能更容易移除。
  • 尺寸巨大的零件:可以考虑定向能量沉积或带渗透的粘结剂喷射。或者,考虑将零件拆分打印后,再组装。
  • 对外观要求好(无特殊机械用途):材料喷射技术,由于可以有颜色,是良好的选择。
  • 高效的零件:如果大量使用聚合物,成本会很低。因此应该考虑SLS和FDM。光固化3D打印技术是第二选择(因为更脆)。对金属来说,一切都很好,但成本高。
  • 内腔干净光滑:避免打印完成后,零件周围产生大量粉末的技术;在紧密的地方很难去除。支撑的设计调整也很关键。
每年制造100000个大于300 mm的零件:AM不是一个好的选择。
把一个简单的结构做成一个大立方体:AM不是一个好的选择。


2.2残余材料
如前一节所述,3D打印技术种类很多。所使用的材料可以是不同的形态:粉末、液体、板、线、墨水等。

特别地,在比较热的环境下工作的一些3D打印技术(选择性激光烧结-SLS,电子束熔炼-EBM)会导致零件周围粉末的烧结;意味着粉末颗粒在表面熔化并粘在一起,就好像它们在颗粒之间的所有接触区部分焊接一样。这种状态的热应力粉末被称为“蛋糕”,制造的零件被包裹其中。粉末颗粒之间的结合力很强,要从狭窄的内腔中清除蛋糕是相当困难的。

一些插图显示了粉末如何在SLS打印中包围零件,以及清理复杂结构的困难。
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图 16:SLS过程结束时的原材料去除步骤
有时去除残余材料的目的是使零件尽可能变轻,但也可能是出于卫生和安全的原因,例如在医药或航空航天领域,零件在工作过程中不应释放任何残留物(粉末颗粒、树脂滴等)。这是一件非常重要的事情,从设计阶段就要注意。

最明显的例子是在模具嵌件中构造一个非常复杂(经过优化)的冷却通道。设计师可以花数小时模拟,找到理想的形状,以便在注射步骤后以最佳方式散热。但如果他在生产过程中没有处理好填满整个渠道的原材料,那么他昂贵的设计将无法使用,大部分的设计都将白费。例如,如果这个模具是由粉末金属制成的,通道直径约为1毫米,但长度超过2米,怎么可能从这个非常长和狭窄的通道中去除金属粉末?在设计阶段要考虑的基本问题是如何在打印完成后去除残余材料。这里有一些例子说明了“残余材料问题”。

想象一下,使用激光熔化技术(如SLS)将粉末制成一个简单的立方体,立方体是空心的:
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图 17:将要生产的空心立方体

对于第一层,粉末分布在整个表面上,立方体的整个正方形区域都熔化了(下图中的红线):
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图 18:当第一层被制造时,所有区域都被激光加工

当到达零件中间时,只有垂直壁被激光处理,其他粉末像往常一样分布在整个表面上:
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图 19:中间层制造时,侧壁被激光加工

最后,用激光再次处理整个区域,就像第一层一样:
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图 20:最后一层的处理密封立方体

在最后一张照片(图20)上,很容易看到大量原材料仍被困在立方体内部。很明显的,在制造完成后,立方体外壳没有出口来移除这些被困材料。在这种情况里,它是粉末;但问题也会发生在树脂、板材、丝材……因此,在设计阶段考虑残余材料是非常重要的,否则空心立方体将比预期的要重得多。但仅仅考虑如何去除原料是不够的。有时出口太窄,或者由于内部配置不可能移除所有部件,或者有时不允许在部件的内部和外部之间有出口。下面是一些例子来说明或对或错的设计。

在下面的例子中(图21),为了避免对设计造成太大的影响,我们制作了一个简单的小孔……。但技术人员将需要更多的时间来移除内部原材料,因为通道出口的原因,最终将花费更多的时间。此外,立方体锋利的内部边缘很好地锁住了这些区域的粉末,并且需要一根铁丝尝试刮去这些区域的粉末。最后,如果技术人员想用真空吸尘器吸出粉末,这是非常困难的,因为没有其他出口允许空气流通零件来清除原料。因此,第二个想法可能比第一个好。第三种选择可能是立方体周围有很多较小的孔,粉末可以通过这些孔离开零件而不会堵塞零件。
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图 21:考虑“更容易清洗”的设计修改

如果内部形状不是一个“简单”的体积,而是一种复杂的通道,那么就需要几个出口,且形状要便于拆卸。就像增材制造一样,设计者的目标是不使用传统设计的思维,从要设计部件的功能出发,使设计适应AM的要求。图22是与传统设计相比的“功能”方法设计示例:
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图 22:从组件功能开始的设计过程。传统与AM设计方法的比较

传统工艺,材料是从一整块物体中去掉不需要的部分。为了更轻,可以选择制造成空心。但传统的设计在3D打印完成之后很难清理。因为在3D打印中,是从零开始制造,尝试去除空腔,产生一些功能性的、易于清洁的结构,并尽可能简单,类似于图22所示的最后一个设计。

在AM中,设计者可以将一些活动部件(如铰链、旋转轴或弹簧)集成到1个设计中,从而减少装配步骤,并在打印过程中直接组装这些部件。关键是基于活动部件之间的间隙(约0.4 mm,与所选技术相关),间隙尽量要小,让活动平稳准确。当然,一些残留材料会填补空隙。如果没有出口,就不可能把铰链打开。
下面是一些例子:
对于球头,为了减少内外壳之间的间隙,建议在外壳上穿孔以去除任何剩余的残留材料,如下所示。
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图 23:外部组件中带有残留粉末排出通道的球头

如果需要长旋转轴穿过块体,建议考虑制造成可调节的间隙和轴中心的可接近性,如下所示:
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图 24:采用排粉方法的车轴设计

当然,清洗原材料的最麻烦的情况是清洗换热器或大型格子结构。必须事先进行一些初步试验,以测试某些样品的清洁度。下面是一些复杂但可清洗部件的示例:
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图 25:内部已成功清洗的复杂零件示例

总之,制造后需要去除的材料很多。有经验的技术人员可以在AM过程找到好的方法来清理,但这可能很昂贵而且不一定清理成功。一般都是由经验丰富的设计师来提出最佳方案,这样可以节省时间和成本,同时提高零件的整体质量。每一个解决方案都是实践经验积累出来的。

2.3支撑结构

比较麻烦的是,在增材制造中往往需要支撑结构。它是指一种类似于支撑的轻型结构,在制造过程中支撑零件,并且与零件的制造是同时进行的。
图26显示了具有支撑结构的零件的一些示例:
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图 26:支撑结构与实际零件体积的比较示例

这种结构(图27左下角的深红色)完全由零件的位置确定,并与其设计相关。支撑将从零件底部延伸到打印平台;由图27中的棕色/黄色平面表示。基于机器体积空间中的初始定位,有色区域将需要支撑,因为它们被视为“水平”。粗略地说,这意味着它们与垂直方向(机器的Z轴)的法线角度小于30°:
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图 27:根据选定的零件方向,需要支撑的突出区域

所需要的三维文件可以用专门开发的软件支撑结构有三个主要作用。
所支持的三维文件可以用专业软件自动、快速生成,然后由机器进行零件的加工处理。然而,需要一些专业知识来设置参数,并使其更有效地快速的进行后续流程,并确保流程的稳定性。

2.3.1增材制造为什么需要支撑?

•支撑层:
让我们从一个例子开始。如果目标是基于液体材料(树脂)产生的150 mm宽的“T”形,则水平杆的第一层高度为0.02 mm,宽度为150 mm。它是如此的薄,当刮取水平的液体表面,这个非常薄弱的层会发生完全变形。为避免变形,第一层形成的脚手架作为所有“水平”表面的加固。

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图 28:支撑加固第一层

图29是专门用于支撑作用的支撑示例:
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图 29:SLA过程中实际支撑加固部件的示例

图30显示在FDM中,在悬臂/水平截面下放置的支撑结构不足时发生的情况。
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图 30:缺少支撑对悬壁区域的影响。越长效果越差

•向下排出热量
在热熔过程中,热源(电子束、红外激光束、加热电阻等)通常会熔化粉末,使局部颗粒熔化成液态,并汇合大块形成连续层。为了凝固,必须在熔化后必须散热,但由于颗粒间存在着气体,导致粉末材料非常接近隔热层。由于零件被粉末包围,散热非常慢且不均匀,导致熔体质量非常差。支撑结构是一种固体、无孔的材料,即为很好的热导体,它让热能很快传递,然后机器本身的其余部分热量被排出。

图31是未添加支撑的区域的一个示例,导致局部过热/过度熔化。由于能量过剩,洞的上部坍塌了。在图像的左侧,参数是恒定的。在右侧,控制(减少)热输入以减少过多的熔体效应:
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图 31:由于支撑结构缺失,热疏散不良,导致部分坍塌

图32显示了对于给定的参数标准,在保证曲面质量如何时,不带支撑的最大水平长度(“悬壁区域”):
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图 32:由于缺乏支撑,悬挑长度对下表面质量的影响,导致散热不良

如果悬臂区域足够小,热通量可以很容易地分散附近的垂直柱。当区域增大时,导热流动距离过长;热量积聚,最终导致过热。
图33结果表明,由于重新熔化和散热不良,尤其是在金属粉末床熔化过程中,表面无支撑且离水平面越近,表面质量越差。
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图 33:表面方向对表面质量的影响

•避免热过程中的变形
用带有热源的金属粉末生产零件,意味着在接下来的加工过程中,最初的层被强烈压缩。简单的说,接下来的层在制造后冷却时会自然收缩,这就造成了之前的层被压缩。这意味着零件在水平面上的时间越长,压缩力就越大,而压缩力与熔化的焊接材料所连接的两点之间的长度成正比。
作为一个例子,图34显示了从上面看到的两个不同的层配置。在左侧,焊接区域相当小(局部能量输入不太大),且不太长,无论方向如何(所以,收缩很小)。在右边则相反,会产生更多的残余应力。
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图 34:两种不同层配置的俯视图

如果不采取任何防护措施,则这些压缩力会使零件变形。开裂或分层几乎总是从零件的外边缘开始。因此,在热(尤其是金属)AM工艺中,尤其是在宽大零件的外缘,支撑相当坚固,零件和刚性制造板之间有很强的连接。这样,由于其强度,如果支撑足够坚固,底板可以防止零件在加工过程中发生变形。在生产和去除粉末之后,零件仍然焊接在上面,可以在炉中进行热处理,以降低内应力。经过这个后处理,零件可以割下来而不发生形变。

图35显示了一些结构的例子,这些结构的强度不足以承受产生的残余应力。它们在生产过程中断裂,从而使零件发生了形变。
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图 35:由于支撑结构薄弱,无法抵消内部热应力,导致零件在加工过程中分层

所有这些例子都表明,需要使用支撑,以便从需要支撑的3D打印技术中获得准确和高质量的零件(即,除了粘合剂喷射和高温下聚合物的激光烧结)。

2.3.2我们为什么要去除支撑?
打印完成后必须拆除支撑,也会出现一些问题。特别是当部件不均匀时,强力支撑可防止变形并改善制造条件。但弱支撑更容易移除,从而降低了组件的总体成本。然而,这项工作很有可能会出现问题失败,尤其是使用韧性较低的材料(如高碳化物钢)或散热性较低的材料(如钛)。

在3D打印聚合物技术中,如材料挤出(也称为熔融沉积模型)或材料喷射,由于使用多种材料的可能性,一些支撑载体可能会很快地在水中溶解。在这些情况下,支撑只会产生额外的材料成本,而不会产生额外的后处理费用。

但当使用金属材料时,支撑和部件是由相同的材料制成的,并被牢固地焊接在一起。
在这种情况下,支撑更难拆除。当夹具、锯、凿子和锤子不合适时,则需要一个加工中心来处理这种情况。

根据初始设计和定位,可能需要在很难进入的零件区域(如内腔)提供支撑。使用外部工具可能无法接近这些位置,因此支撑将不可避免地留在那里。这会产生一些问题(重量增加、零件工作期间内粉末释放的危险……),有时则不会出现问题(零件设计中包含的支撑)。下面是一个支撑留在在单个开口零件中的示例,因此很难移除。因此应研究解决方案以避免这种情况。
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图 36:设计调整示例,以便于加工后拆除支撑

为了避免变形,支撑必须与零件连接良好。在拆卸过程中,支撑的一些碎片留在表面上是很常见的。此外,曲面并不总是平坦的(这将在后处理中发挥作用),但有时非常复杂。在这种情况下,很难在这些表面上获得完美的光洁度。
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图 37:支撑连接对区域表面质量的影响-1

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图 38:支撑连接对区域表面质量的影响-2

因此,可以按照零件的对齐方式选择不同的解决方案。
首先是向上移动关键区域。这使得它们在打印状态下不那么粗糙。但另一面的表面将会导致不规则,有时这是可以接受的。
另外,重要的区域可以重新加工以提高整体质量。但是这会增加额外的厚度。因此,它们可以向下对齐,与支撑接触。另外,其他表面的质量也会更好。

2.3.3设计师能做什么?
设计人员在生产零件时,不应该带有额外的支撑结构,如果他们能够减少制造零件所需的支撑,他们也可以大大降低成本。他们只需要尽量避免从下面向上看的水平表面,使制造的时候尽可能以本身部件作为支撑,以避免后处理的时候去除支撑结构。粗略地说,与水平面相比,建议保持在45°角以上,如图39所示。当然,如果可以取大于45°的值,则可以提高表面质量。

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图 39:AM中的主要设计提示。尽可能“垂直”地设计零件

以下是一些精美的例子:
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图 40:“垂直”设计,特别适合AM,减少了对支撑结构的需求

由于长直且连续的焊接材料产生的应力比短的应力大得多,建议在水平面上最大长度(>100 mm)进行划分(取决于最终部件对齐)。这意味着需要更轻的支撑,从而减少后处理步骤和成本。
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图 41:在较短的节段中重新设置长度,以避免导致弯曲的高应力(与直线长度成比例)

综上所述,在支撑结构方面,最适合增材制造的是那些均匀且薄或在每个水平截面上分成薄岛的模型。生产垂直方向比较长的组件也更容易,因为它们可以在制造时进行在自我支撑。

2.4表面质量
表面质量与几个特征有关。它会受到原材料形态(粉末颗粒可以粘附在表面,液体不能)、工艺偏差(例如局部过热)、所选部件对齐(影响支撑结构)以及所应用的层厚度的影响。

2.4.1原材料的影响
以粉末为原料时,其表面粗糙度通常高于其它材料形态。这与处理零件边界的方式有关。在粉末床技术中,可以用粘合剂将颗粒粘在一起,也可以用热源熔化颗粒。由于原材料的不连续性,表面会不如预计中的清晰。下图显示了组件表面区域的缩放。
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图 42:部分熔融粉末颗粒对表面的影响,粗糙度增加

在熔化/粘合过程中,所有受影响的粉末颗粒都留在表面上,并产生与所用粒度范围成比例的粗糙度。根据粉末形态和层厚,双峰之间的距离可达200微米。
这些图片说明了实际状态:
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图 43:金属粉末的粉末床熔化过程的实际表面形貌

如果使用液体(如树脂)作为原料,由于液体的连续性,上述情况几乎不存在,而且表面要光滑得多。在下图中,在SLA 3D打印零件的表面上产生一些锯齿。与工艺参数相关的“台阶效应”在厚层中清晰可见。然而,表面非常光滑,没有不规则的地方。因此,SLA部件甚至在刚从机器中制造出时也可以是透明的。
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图 44:层厚对表面质量的影响,主要是“台阶效应”

在“液滴分离”的树脂技术中,表面不太光滑。等高线有点不太平滑,更像“虚线”,但与其他原理相比,质量仍然很好。
FDM中每一层的轮廓都是光滑的,但是每一层都有相当大的粗糙度(见图10)。这主要是因为最大最小之间的层厚至少为0.1 mm。这里是一个实例,它比较FDM和SLA中具有相同层厚0.1mm的部分,且这两部分在这两种情况下都是都位于一个小组件上(这对SLA有利,而对FDM不利)。
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图 45:制造方式选择的影响。层厚相同:左侧FDM,右侧SLA

使用钣金的技术的表面质量与原材料相关,而原材料的表面质量又取决于钣金轮廓的切割方式。

2.4.2工艺偏差的影响
这是指在生产过程中相当稳定的一些过程。例如使用树脂(SLA,材料喷射)或粉末粘合剂(粘合剂喷射)的工艺。但对于热过程来说,这是不一样的。这可以从热过程中得到解释。热量就像液体一样从热点(如熔池)流向冷点(如机架,通过底板)。温差越大,移动越快。而且热量在大块材料中的流动速度也比通过粉末的速度快,气体在粉末颗粒之间充当隔热层。基于这些简单的考虑,就会很容易明白为什么会在3D打印期间更改一些设置:

如果生产的零件由几个小零件和一个大零件组成(图46),激光加工第一层比最后一层需要更多的时间。这决定了最高部分两层之间的冷却时间,底部较长,顶部很短。这会导致热量积聚,从而导致过热,上部区域可能比下部区域有更多的缺陷(球形气孔)。这当然可以同时适用于多个部位,也可以应用于沿制造方向具有可变截面的单个部位。
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图 46:层密度变化对热过程的影响

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图 47:长(下)和短(上)冷却时间之间的过渡线在小零件的制造结束后

由于部件对齐,也可能出现类似 “收缩线”的缺陷。当来自下面的两个单独的细(柔性)分支之间存在连接时,就会发生这种情况。在连接之前,收缩发生在各个分支的“小”部分,没有特殊的几何偏差。但是在连接层,要焊接的部分会比较大(两个分支的横截面相加)。因此,收缩更为重要(与长度成比例),并将分支的尖端拉在一起。

由于分支很柔韧(又长又细),它们会弯曲,在这一层会发生局部的几何收缩。下一层不会出现这种现象,因为已经建立了连接。所以,只剩下一条水平收缩线。这些步骤如图48所示。
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图 48:生成“收缩线”的连续步骤

最后,如果在某个特定位置进行大面积加工,由于过度的熔化可能会在局部产生额外的材料堆积。如果是这样,在铺粉末时,可能会造成轻微损坏。这种情况会导致较厚的粉末层熔化不均匀,在零件上是可以看见的。它看起来像一条收缩线,但实际上是由于粉末分布不均匀造成的。
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图 49:由于局部粉末分布不均匀,导致熔体质量差,可以看见明显的线条

2.4.3层厚影响

当然,层厚越大,表面就越粗糙。但这个形成的过程很快。因此,必须在最终质量和成本与时间方面做出妥协。以下是相同技术具有不同层厚的一些示例:
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图 50:50层厚对表面质量和制造时间的影响

如果层厚度低于80μm,“阶跃效应”对表面质量的重要性往往小于粉末粒度。对于粉末颗粒较大的技术,因此不建议使用较小的层厚度来提高表面质量。
此外,几乎水平的表面上的“台阶效应”变得更加明显,这是由于几何原因造成的。
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图 51:由于零件几何形状而产生“台阶效应”的区域

2.4.4设计如何结合表面质量?

热源3D打印机,从表面粗糙度来看,最高顶部和最深谷底部之间的距离大约为0.2 m m,粉末范围在20到60μm之间。这意味着如果进行后处理操作以在表面上产生镜面抛光(无孔),然后,必须在后处理(机加工、摩擦抛光、电化学抛光等)中去除约0.2 mm厚的表皮。因此,如果“表面零孔”特性对预期应用非常重要,则应将设计中考虑这种额外厚度。

但不是所有的零件表面都需要这样的精加工。在这种情况下,第一步是重新定义每个曲面所要求的质量。在过去,人们并没有意识到公差的重要性,从而引发了安全事故。因此要必须解决这一问题,因为从那时起就没有对公差进行要求。如果公差可以放宽,则需要较少的返工,部件将变得更便宜。
通常,整个组件的“竣工”质量是针对特定AM技术而批准的,只有少数需要密封或连接到另一部件的关键区域是需要机加工后处理。
为了避免任何可能的工艺偏差,目的是帮助确保每个部分具有相同的待加工区域,并且尽可能均匀,而这做起来比较困难。
在不改变机器参数和设计的情况下,管理“阶跃效应”的唯一方法是改变部件的对准方式,将零件的粗糙度转移到其他地方。

2.5准确度
准确度也是AM中的一个重要话题。如前几节所述,在制造过程中会出现许多现象,这些现象可能导致变形(由于冷却或聚合而收缩、内部应力导致分层、激光穿透床层等)或表面质量差(粗糙度高)。鉴于此,无论零件形状如何,用最精确的标准技术很难保证几何精度优于0.1%。通常,考虑0.2%的精确度是明智的选择。这意味着尺寸为100 mm的零件的长度为100±0.2 mm。如果一切顺利,这些公差是允许的。但是,如果存在问题(例如,由于高残余应力导致的柱分层),则局部变形可以达到更高的值。

设计师可以在重要的区域增加额外厚度,然后对其进行加工,以达到最终公差。但这会增加成本,尤其是当零件远离几何/立方时。此外,对于有机/优化形状,将其固定在铣床(无平面)中或设置坐标的参考坐标系要困难得多。

当然,为了有助于后处理步骤,设计师可以添加一些临时功能,使其更容易修复零件,以及加固材料,以避免加工“细长”结构时可能出现的振动,这在AM中是很典型的解决方法。

这就是为什么最近市场上出现了另一种工具:模拟热过程的AM软件。各种可用的商业解决方案使计算时间非常合理。可以通过计算来评估机械变形和热过程(基本上是机械 性能)。如果生产可能因为意外的支撑分层而在生产三天后失败,则这种类型的复杂计算可以阻止生产的开始。

有了这个工具,设计者可以快速检查(基于所需的计算精度)他的最终设计是否“过程安全”,如果不是“过程安全”,则可以进行潜在的纠正。比如钛合金零件的生产失败就要花费3000欧元,因此这种方法可以节省很多时间和金钱。

此外,专业软件可以提出一个补偿模型的设计,以预期任何弯曲。这意味着在生产过程中发生的变形将使补偿后的模型弯曲,从而保持原始设计的外观。
该工具可以帮助制造商和设计师达到预期的最终精度。
该软件的成本目前在12000-15000欧元/年之间。

2.6时间方面
增材制造的优势在于,与其他技术相比,在相对较短的时间(大约4天;每层30分钟到90分钟)内生产出小体积(300X300x400毫米)零件,这是从零开始的,从最终的CAD文件和原材料开始。

在机械加工或注塑成型中,不可能在四天内生产出几个不同的复杂零件。在一个小的或非常小的案例,有一个非常短的时间窗口,因此对于零件的定制,非常适合使用增材制造的方式。这种时间的差异带来的收益已经成为一些公司的利润来源,   使得AM部件的费用更容易被接受。

有时AM也用于产品开发阶段,不是用于生产最终零件,而是用于快速确定注塑生产的最佳模具。通过从当前版本快速找到初始设计,可以在早期阶段避免一些错误。这也节省了时间。

当然,四天去制造模具是不可能完成的。因此,这些仍然是通过注射成型生产的,就像许多其他传统的零件/形状一样。
设计步骤也可能是一个耗时的因素。由于AM只有在部件“特殊”或与传统设计相比特别高效时才具有经济效益,因此设计步骤是最重要的。设计尽可能高效的零件需要不同的软件和大量的知识积累。

知道何时选择AM以及何时选择另一个工艺,很重要。

3  对设计的影响
增材制造设计过程几乎总是相同的,不管采用什么技术。第一步始终是定义组件的功能和周围元素的集成程度,以适配装配工作。无论功能是驱动流体从一个点到另一个点的通道,螺钉或车轴的锚固点,一个铰链或几个点之间的强连接保持他们之间的距离恒定,第一步都是先获得这些特征的清晰三维图。下面是一个具有结构作用(锚固点)的组件示例,某些流体必须通过该组件的管道,此外,还需集成一个风道:
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图 52:组件功能的3D地图定义

可用空间/体积(在上一个图像上用红色阴影表示)由周围元素定义。根据最小机械阻力要求,可提出完成所有初始功能的部件的一个初稿。
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图 53:第一个简化设计方案

下一步是优化“自支撑”(避免支撑结构)、“易于清洁”和后处理方面。
关于自支撑方面,组件对齐的调整有时会改变所需的支撑数量:
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图 54:相同的设计但不同的对齐方式可以改变所需的支持数量

然而,大多数情况下,局部需要重新设计,以对所选择的支撑结构进行整合。
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图 55:根据所选方向调整设计,以尽量减少后处理操作

4结论

  • 3D打印不适合制造所有零件。第一个目标是选择最有效益的零件,或重新设计自由度高的零件。
  • 然后,将零件的所有功能考虑到,按照最基本的需求进行研究。
  • 基于这些结果,根据本文档中描述的物理原因,选择机器中的组件对齐方式,使其长度大于宽度。
  • 一旦选择了组件对齐,就可以添加材料,以最有效的方式连接各个元素,这主要是由于拓扑优化。
  • 然后,可以优化初始设计,以减少水平截面的分割面积(以减少热输入和相应的残余应力),并检查表面方向(尽可能避免支撑)。
  • 根据所施加的载荷情况,可以进行有限元分析以检查部件的韧性。
  • 在不同的步骤之间,可以进行一些迭代,以获得最佳的组件效率,从而实现可制造性和使用性。

研究背景
2020年3月,奥地利技术公司Ecoplus Plastics和Mechatronics Cluster公布了他们的一项研究结果,内容主要是关于将增材制造应用于工业生产中的发现。两年前,这两家公司启动了这项耗资210万欧元的研究项目,称为“增材制造的工业4.0”(AM 4 Industry)。
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项目目的是使企业能够在把增材制造引入生产领域时,做出更明智的决策。研究表明,增材制造技术能否成功应用于工业,主要取决于几大关键因素:
●质量特征的定义以及设计
●3D打印工艺的发展
●可靠的生产过程监控
●合适的后处理指南
●合适的成本效益模型

该报告一共包括五个细分报告:
●激光束熔化(LBM)增材制造缺陷研究
●增材制造设计非常重要
●增材制造中的设计与流程相关注意事项
●实施增材制造工艺之前,做好质量优化和成本分析
●应用示例介绍OpenFoam®和chtMultiRegion

这项研究,南极熊认为非常有价值,有利于激光熔化类的3D打印企业深入展开工业应用,推动我国智能制造的发展。

本报告的翻译,得到北京化工大学英蓝实验室  吴怀松、何其超、程月、王皓宇、张秀、刘俊丰等同学,和老师焦志伟的大力支持。正是由于这个也做3D打印相关研究的团队,付出了约1个月的时间和精力,本报告的中文版才得以问世。南极熊特此感谢!





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