通過Reinshaw案例分析3D打印局限性

　　我們之前介紹了Delcam如何在設計初期就考慮增材制造特點并在設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在增材制造過程中如何考慮關鍵的因素，包括建模的特征尺寸、表面光潔度、懸伸的特點，最大限度地減少支持，避免構件變形。

　　特征尺寸

　　在機械加工過程中，你可以通過自己選擇的刀具來制造出你所能制造出的細節特征。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，與關注刀具的大小類似的是我們需要關注激光光斑大小。激光點加熱金屬粉末，每個激光點創建了一個微型熔池，從粉末融化到冷卻成為固體結構，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構。

　　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移到材料中，以熔化中心區的粉末，從而創建完全致密的部分，但同時熱量的傳導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，超出激光點的燒結量取決于粉末的熱導率和激光的能量。

　　像晶格結構，140μm的晶格結構可使用70μm的激光點來制造，對應的墻的厚度可達到200μM。

　　表面光潔度

　　集中的激光束強烈熔化金屬粉末，當激光后的區域溫度下降，由于熱傳導的作用，微型熔池周圍出現軟化但不液化的粉粒。

　　這些部分燒結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的粉末留在粉末床上。這種點點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到下面的層，從而將燒結不完全的顆粒又重新融化。這種漸進的熔化和冷卻的層相互發生作用，并在組件表面創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，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，這些層的相互關聯是很重要的。由于每一層融化的金屬在液態的情況下依賴于下面的層提供物理支持和傳導熱量的路徑。

　　當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，并創建一個強大的焊接區域。從而與上一層新融化的金屬部分焊接在一起，當激光源離開的時候，熔池也會迅速凝固，形成連貫的零件。

　　當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生凹陷現象。未熔化的粉末也遠低于固體金屬的導熱性，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的粉末更多。這樣，零件可能表現出粗糙的表面光潔度。

　　如圖中綠色層將被毫無疑問的構建起來；黃色層將被構建起來，但可能帶來粗糙的表面光潔度；紅色層發生扭曲現象的幾率高。經驗法則是懸角與垂直方向大于45度的設計最好要避免掉，30度以內是最好的，懸角大于45度需要考慮支撐結構的設計。

　　側孔

　　同樣的道理，在組件的設計過程中，側孔由于出現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，而不會發生視覺上明顯的失真。

　　減少支撐結構

　　雖然有時候為了零件構建的成功率與效果，支撐是必須的。但是，支撐結構是有效的浪費，不僅浪費材料，也浪費后處理成本，并且使得構建時間更長，增加了構建的復雜性，使得成本增加。

　　要減少支撐結構的需要，就要優化如孔的設計，以及槽和通道的設計。

　　拿圓孔的設計來說，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，圓側孔要求內部支持的，而淚滴和菱形孔則不需要。

　　零件構建方向是避免支撐結構需要的另一個考慮方向，雖然這可能會出現額外的層和帶來更長的構建時間。在下面的圖像中，通過傾斜組件，以使得內部的圓筒形孔不需要支撐結構的設計。

　　當然，調整零件的構建方向是棘手的，有時候消除了部分區域的支撐需求，卻可以導致其他區域發生對支持結構的需要。這里，可以考慮通過Renishaw的新型量子準備軟件-QuantAM通過軟件可視化哪些區域需要支撐結構，并能協助支持部署支撐結構。