多孔水平大尺寸悬垂面金属3D打印支撑设计研究
作者单位：中国空气动力研究与发展中心
会议名称：《第十二届中国金属学会青年学术年会暨首届〝碳中和〞冶金青年科学家沙龙》
会议日期：1000年
学科分类：08[工学] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化]
摘 要：激光选区熔化(SLM)是一种先进的金属增材制造技术,该技术原理是以激光为热源,利用三维模型数据对粉末材料逐层堆积,最终实现金属零件的直接制造。SLM技术可实现复杂金属构件材料-结构一体化净成形,凭借成形精度高、成形件致密度高和力学性能优异的优势,被广泛用于航空航天领域零部件制造。由于SLM工艺特性,当零件打印成形中过程中出现角度小于45°的悬垂面时,一般需要添加支撑结构辅助零件悬垂区域成形,防止打印翘曲、坍塌。在多孔水平大尺寸悬垂面SLM成形过程中,支撑的设计需要同时考虑水平悬垂面和孔洞翘曲变形、支撑去除效率等问题,这对支撑设计提出了较高的要求。本文以多孔水平大尺寸悬垂面作为研究对象,着重研究了在水平悬垂面下添加三种支撑设计类型的成形效果。第一种支撑类型:支撑a,采用块状支撑+柱状支撑方式,具体设计方法为在该面均匀添加块状支撑和柱状支撑,支撑互相混合;该方式为最常见的支撑设计方法,零件打印完成后支撑可人工快速去除,后处理效率很高。第二种支撑类型:支撑b,采用轮廓支撑方式,具体设计方法为将所有圆形孔封闭,从水平悬垂面中心点向外,直径依次变大的多个圆形轮廓,每个轮廓均设计有多个清粉孔,轮廓之间间距为5mm;该方式中支撑全部为实体,相较支撑a的支撑设计方法,支撑b的抗零件变形能力大幅提高,同时为防止通孔在打印过程中产生翘曲变形,将圆形孔封闭,打印完成后机加去除;该支撑设计方式可以实现零件悬垂面的顺利打印,但支撑全为实体支撑,只能使用机加设备去除,后处理时间较长。第三种支撑类型,支撑c块状支撑+柱状支撑+轮廓支撑,具体设计方法为零件所有孔洞处添加轮廓支撑,其余区域为块状支撑和柱状支撑的混合支撑;为兼顾后处理效率,同时防止悬垂面翘曲变形,将支撑a与b的支撑方法相结合;后处理过程中块状支撑和柱状支撑通过人工去除,轮廓支撑通过机加工去除。采用上述三种支撑设计方法进行水平悬垂带孔金属零件打印,零件最终打印成型效果如下:(1)当水平悬垂面支撑类型为a时,由于打印时孔洞边缘热应力较强,该类型支撑难以抵抗变形应力,当悬垂面实体打印到第四层时孔洞边缘开始发生翘曲,打印到第六层时热应力进一步加大导致孔洞边缘翘曲更加严重,打印被迫终止。(2)当水平悬垂面支撑类型为b时,打印过程中未发生任何翘曲,打印顺利完成,后处理时支撑耗时3天完成。(3)当水平悬垂面支撑类型为c时,打印过程中未发生任何翘曲,打印顺利完成,后处理时支撑耗时不到2天完成。基于以上研究结果,在多孔水平大尺寸悬垂面SLM成形过程中,最优支撑设计为块状支撑+柱状支撑+轮廓支撑,该支撑设计在防止翘曲变形、支撑易去除等方面均有不错的表现。本文工作为悬垂结构的金属3D打印成形提供了一定的参考价值。