無支撐金屬3D打印，可實現(xiàn)封閉葉輪的無支撐打印

魔猴君  知識堂   776天前

在金屬增材制造（AM）過程中，支撐物的添加和去除一直以來都是一大難題。以直接金屬激光燒結(jié) (DMLS) 為例，打印前需要為模型預(yù)設(shè)支撐結(jié)構(gòu)以避免熱應(yīng)力引起的變形并將熱量從熔池中傳導(dǎo)出去。這些支架是設(shè)計的一部分，并作為一個整體制造。建造后，支撐結(jié)構(gòu)被拆除并丟棄。倘若沒有支撐物，就難以打印出低于一定傾斜角度（通常45°左右）的懸撐結(jié)構(gòu)，這往往限制了金屬3D打印系統(tǒng)用戶的選擇，也為許多設(shè)備OEM和增材制造軟件公司帶來了極大的挑戰(zhàn)

近日，據(jù)魔猴網(wǎng)了解，為解決上述問題，來自E0S公司Additive Minds的專家現(xiàn)在已經(jīng)開發(fā)了多種工藝優(yōu)化技術(shù)來生產(chǎn)無支撐結(jié)構(gòu)的 3D打印部件，例如：定子環(huán)、外殼、渦輪泵、油箱、熱交換器、閥門和葉輪，其中封閉式葉輪是較為典型的案例之一。通過優(yōu)化設(shè)計軟件和參數(shù)包，E0S使用戶能夠以更低的角度（有時甚至零角度）打印懸臂和橋梁，需要的支撐物少得多，甚至沒有。

無支撐增材制造也為后處理階段節(jié)省了大量時間，因為無需移除額外的支撐。在手動移除的情況下，這也可以讓員工騰出時間和精力用于其他工作。制造無支撐結(jié)構(gòu)的零件也減少了材料的浪費，因為沒有任何東西被扔掉，零件和支撐設(shè)計的各個方面都是必要的。然而，這并不是一個簡單的過程，多年來軟件設(shè)計專家和制造商們一直致力于應(yīng)對無支持設(shè)計的挑戰(zhàn)。

在本文中，主要展示了EOS的專家如何利用無支撐方法來構(gòu)建葉輪。封閉式或罩式葉輪在許多行業(yè)都有應(yīng)用，它們在尺寸、形狀、材料和性能要求上有很大的不同。封閉式葉輪經(jīng)常暴露在各種極端條件下，如高轉(zhuǎn)速、高腐蝕性介質(zhì)和極端溫度造成的機(jī)械負(fù)荷。例如，太空火箭中的渦輪泵應(yīng)用，微型燃?xì)廨啓C(jī)中的壓縮系統(tǒng)，以及石油和天然氣應(yīng)用中的海水泵。

傳統(tǒng)金屬3D打印中的支撐設(shè)計需求

設(shè)計帶有支撐的 3D 打印件一直是增材制造 (AM) 的標(biāo)準(zhǔn)方法。支撐的數(shù)量、大小和位置由多種因素決定：

打印過程中的殘余應(yīng)力可能導(dǎo)致 3D 模型變形?？梢蕴砑又我詮奈锢砩戏乐惯@種變形；

重涂機(jī)的中斷 影響部件的中間構(gòu)建可能會振動部件或造成損壞，從而導(dǎo)致工作不成功。支架用于保護(hù)零件免受重涂機(jī)的任何影響；

通過支撐的熱傳遞 使零件在構(gòu)建過程中更快、更成功地冷卻和成型。

為確保3D打印機(jī)構(gòu)建完成并成功生產(chǎn)零件，需要考慮到影響支撐設(shè)計的各種原因，包括：

零件方向 決定了零件有多少需要支撐。通常，如果零件被定向以便更大的表面積不在構(gòu)建板上，則需要更多的支撐來補(bǔ)償上述因素。

45 度或更小的懸垂 通常被認(rèn)為需要支撐結(jié)構(gòu)。

通道和孔在沒有支撐的情況下可能會變形，具體取決于它們的大小以及它們是否定向無效。

模型設(shè)計

憑借正確的專業(yè)知識和創(chuàng)造性的解決問題的技能，EOS 的團(tuán)隊成功地開發(fā)出新的方法來設(shè)計構(gòu)建模型，打破了“低傾角必須添加支撐”的先入之見，并取得了出色的結(jié)果。本文用于展示無支撐結(jié)構(gòu)和 DMLS 工藝功能的葉輪由 EOS Additive Minds 設(shè)計，直徑為 150 毫米，帶有 12 個懸垂角低至10 度的葉片。

△葉輪的設(shè)計。來源：EOS

構(gòu)件傾斜方向與支撐結(jié)構(gòu)

葉輪通常會以傾斜的方向打印，以避免內(nèi)部支撐，因為它們很難移除。然而，這種定向通常會導(dǎo)致構(gòu)建時間更長、表面質(zhì)量不均勻，并且零件的圓形度會受到影響。平面方向提供了幾個優(yōu)點，例如更短的構(gòu)建時間、更好的圓度和精度以及整個零件的更均勻的表面質(zhì)量。然而，低懸垂通常需要大量支撐。對于當(dāng)前的 DMLS 工藝，需要支持角度小于 35° 的較大懸伸。需要支架來散發(fā)熔池的熱量，以補(bǔ)償重涂力和零件內(nèi)部應(yīng)力。

△傳統(tǒng)方向和由此產(chǎn)生的支撐結(jié)構(gòu)（右），傾斜外殼（左）。來源：EOS 

無支撐設(shè)計優(yōu)化

EOS通過借助先進(jìn)的模型設(shè)計技術(shù)，顯著減少了添加內(nèi)部支撐的必要性。增材制造過程的設(shè)計優(yōu)化也是關(guān)系到打印能否成功的另一個重要方面。雖然主要通過使用調(diào)整的暴露策略可以避免內(nèi)部支撐，但通常仍然需要外部支撐結(jié)構(gòu)。

在本文的葉輪案例中，無需使用實心填充，通過使用自支撐拱和薄壁對零件底部進(jìn)行修改，以確保牢固的平臺連接并防止在構(gòu)建過程中變形。這允許與傳統(tǒng)支架一樣使用更少的材料，同時提供高強(qiáng)度和改進(jìn)的機(jī)械加工性。葉輪的外徑是封閉的，以便在構(gòu)建時為零件提供更大的剛度，并防止出口邊緣的幾何精度損失。對于這種葉輪，先進(jìn)的設(shè)計能夠減少 15% 的材料，同時具有加工優(yōu)化和自支撐結(jié)構(gòu)，并且沒有內(nèi)部支撐。

△傳統(tǒng)vs 無支撐構(gòu)建。來源：EOS 

流程優(yōu)化

葉輪采用所謂的高能 DownSkin 方法（用于構(gòu)建懸垂表面的暴露類型）構(gòu)建。本質(zhì)上，該方法通過增加激光功率同時調(diào)整其他 DownSkin 參數(shù)來增加 DownSkin 曝光的能量密度輸入。這會產(chǎn)生更大但更穩(wěn)定的熔池，尤其是在松散粉末上構(gòu)建懸垂物時。該方法已成功用于許多經(jīng)常用于制造葉輪的材料（例如 Ti64、316L、AlSi10Mg、In718 等）。

因此，可以確保所有臨界角都可以從這個優(yōu)化的參數(shù)中受益。與其他無支撐技術(shù)不同，高能DownSkin 方法不會犧牲構(gòu)建速度，因此不會犧牲商業(yè)案例來避免支撐。

在沒有任何對策的情況下，由于熔池較深，高能 DownSkin 方法會導(dǎo)致 DownSkin 區(qū)域中 z 方向的零件尺寸過大。零件可以通過后處理或通過調(diào)整設(shè)計來調(diào)整到合適的尺寸。DownSkin 也相對粗糙，但粗糙度是均勻的，這有助于大塊表面處理技術(shù)，如磨料流加工。也幾乎沒有任何孔隙（見下圖），孔隙僅限于 DownSkin。因此，整體機(jī)械性能不受影響，您仍然可以依賴 EOS 開發(fā)的高質(zhì)量 InFill 工藝。因此，也不需要像熱等靜壓這樣的二次工藝來獲得足夠的機(jī)械性能。

△橫切高能DownSkin 曝光。來源：EOS

構(gòu)件打印質(zhì)量可以在下面的圖片中看到：

△圖片突出了高能量 DownSkin 方法的 DownSkin 質(zhì)量。來源：EOS

后處理（磨料流加工，AM Metals）

磨料流加工是用于流相關(guān)應(yīng)用和內(nèi)部幾何形狀的常用表面精加工技術(shù)。研磨介質(zhì)被推過固定在夾具中的零件。介質(zhì)中的磨料顆粒沿流動路徑研磨和拋光表面。作為內(nèi)表面精加工的準(zhǔn)備工作，封閉的外徑需要加工成開放的，直徑和零件高度調(diào)整到用于 AFM 工藝的夾具。預(yù)加工后，零件被夾緊，研磨介質(zhì)在夾具的幫助下被推過零件。在 AFM工藝之后，葉輪被加工成最終尺寸。

用磨料流加工 (AFM) 處理后的最終零件

△AFM 后葉輪俯視。來源：EOS

△AFM 后葉輪上表面的詳細(xì)圖。來源：EOS

△AFM 后葉輪下表面細(xì)節(jié)圖。來源：EOS

△加工后的葉輪底面。來源：EOS

來源;南極熊