通過Reinshaw案例分析3D打印局限性

　　我們之前介紹了Delcam如何在設(shè)計初期就考慮增材制造特點(diǎn)并在設(shè)計的過程中避免增材制造的局限。

　　本期，我們將通過Reinshaw的最新案例來與您共同體驗(yàn)在增材制造過程中如何考慮關(guān)鍵的因素，包括建模的特征尺寸、表面光潔度、懸伸的特點(diǎn)，最大限度地減少支持，避免構(gòu)件變形。

　　特征尺寸

　　在機(jī)械加工過程中，你可以通過自己選擇的刀具來制造出你所能制造出的細(xì)節(jié)特征。刀具的大小決定了零件的孔和槽的最小尺寸。

　　在增材制造過程中，與關(guān)注刀具的大小類似的是我們需要關(guān)注激光光斑大小。激光點(diǎn)加熱金屬粉末，每個激光點(diǎn)創(chuàng)建了一個微型熔池，從粉末融化到冷卻成為固體結(jié)構(gòu)，光斑的大小以及功率帶來的熱量的大小決定了這個微型熔池的大小，從而影響著零件的微晶結(jié)構(gòu)。

　　下面圖像顯示了激光能量加熱的粉末顆粒，以及熱量如何擴(kuò)散到鄰近的粉末。為了融化粉末，必須有充足的激光能量被轉(zhuǎn)移到材料中，以熔化中心區(qū)的粉末，從而創(chuàng)建完全致密的部分，但同時熱量的傳導(dǎo)超出了激光光斑周長，影響到周圍的粉末。

　　所以最小的制造尺寸一般比激光斑要大，超出激光點(diǎn)的燒結(jié)量取決于粉末的熱導(dǎo)率和激光的能量。

　　像晶格結(jié)構(gòu)，140μm的晶格結(jié)構(gòu)可使用70μm的激光點(diǎn)來制造，對應(yīng)的墻的厚度可達(dá)到200μM。

　　表面光潔度

　　集中的激光束強(qiáng)烈熔化金屬粉末，當(dāng)激光后的區(qū)域溫度下降，由于熱傳導(dǎo)的作用，微型熔池周圍出現(xiàn)軟化但不液化的粉粒。

　　這些部分燒結(jié)的顆粒有的被熔化金屬吸附，并成為牢固地附著在組件表面的顆粒。其他不那么接近熱源的顆粒則仍與其他未被燒結(jié)的粉末留在粉末床上。這種點(diǎn)點(diǎn)融化的加工方式帶來零件的特征紋理表面。由于層層鋪粉，在下一層的激光融化處理過程中，仍會有一些熱量傳導(dǎo)到下面的層，從而將燒結(jié)不完全的顆粒又重新融化。這種漸進(jìn)的熔化和冷卻的層相互發(fā)生作用，并在組件表面創(chuàng)建我們所熟悉的增材制造零件所特有的紋理。

　　激光功率、粉末粒度和層厚度是表面光潔度的關(guān)鍵影響因素。較薄的層往往提高表面光潔度，但需要加工的時間也長，帶來較昂貴的加工成本。使用通常的激光熔覆加工參數(shù)，獲得的表面光潔度范圍在10到20μM.

　　懸伸

　　在粉末床激光融化加工過程中，粉末送給由一層一層鋪粉來完成，這些層的相互關(guān)聯(lián)是很重要的。由于每一層融化的金屬在液態(tài)的情況下依賴于下面的層提供物理支持和傳導(dǎo)熱量的路徑。

　　當(dāng)激光融化金屬粉末的時候，如果下一層是固體金屬支撐，激光熱將下一層部分重新熔化，并創(chuàng)建一個強(qiáng)大的焊接區(qū)域。從而與上一層新融化的金屬部分焊接在一起，當(dāng)激光源離開的時候，熔池也會迅速凝固，形成連貫的零件。

　　當(dāng)融化的金屬粉末下方缺少支撐，那么粉末熔化過程中將“黏附”下方未熔粉末。未熔化的粉末沒有固體金屬致密，所以不受支持的新焊接金屬層可能發(fā)生凹陷現(xiàn)象。未熔化的粉末也遠(yuǎn)低于固體金屬的導(dǎo)熱性，因此熔化池中的熱量將被保留更長的時間，從而使周圍部分燒結(jié)的粉末更多。這樣，零件可能表現(xiàn)出粗糙的表面光潔度。

　　如圖中綠色層將被毫無疑問的構(gòu)建起來；黃色層將被構(gòu)建起來，但可能帶來粗糙的表面光潔度；紅色層發(fā)生扭曲現(xiàn)象的幾率高。經(jīng)驗(yàn)法則是懸角與垂直方向大于45度的設(shè)計最好要避免掉，30度以內(nèi)是最好的，懸角大于45度需要考慮支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計。

　　側(cè)孔

　　同樣的道理，在組件的設(shè)計過程中，側(cè)孔由于出現(xiàn)與垂直方向角度大于45度的弧線部分，所以孔的直徑不宜過大。圓形孔洞的變形量主要取決于它們的直徑大小，也取決于不同的材料。一般來說，直徑小于10毫米的圓可以是自支撐的，而不會發(fā)生視覺上明顯的失真。

　　減少支撐結(jié)構(gòu)

　　雖然有時候?yàn)榱肆慵?gòu)建的成功率與效果，支撐是必須的。但是，支撐結(jié)構(gòu)是有效的浪費(fèi)，不僅浪費(fèi)材料，也浪費(fèi)后處理成本，并且使得構(gòu)建時間更長，增加了構(gòu)建的復(fù)雜性，使得成本增加。

　　要減少支撐結(jié)構(gòu)的需要，就要優(yōu)化如孔的設(shè)計，以及槽和通道的設(shè)計。

　　拿圓孔的設(shè)計來說，可以考慮是否能修改圓孔為“淚滴”或鉆石的形狀，例如，在下面的例子中，圓側(cè)孔要求內(nèi)部支持的，而淚滴和菱形孔則不需要。

　　零件構(gòu)建方向是避免支撐結(jié)構(gòu)需要的另一個考慮方向，雖然這可能會出現(xiàn)額外的層和帶來更長的構(gòu)建時間。在下面的圖像中，通過傾斜組件，以使得內(nèi)部的圓筒形孔不需要支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計。

　　當(dāng)然，調(diào)整零件的構(gòu)建方向是棘手的，有時候消除了部分區(qū)域的支撐需求，卻可以導(dǎo)致其他區(qū)域發(fā)生對支持結(jié)構(gòu)的需要。這里，可以考慮通過Renishaw的新型量子準(zhǔn)備軟件-QuantAM通過軟件可視化哪些區(qū)域需要支撐結(jié)構(gòu)，并能協(xié)助支持部署支撐結(jié)構(gòu)。