供稿|李艷梅，藍(lán)哲雯，陳英俊 / LI Yan-mei, LAN Zhe-wen, CHEN Ying-jun

內(nèi)容導(dǎo)讀

激光選區(qū)熔化成形技術(shù)是金屬3D打印的重要分支，在強(qiáng)度、精度、致密性方面表現(xiàn)出色，已成為增材制造體系中最具發(fā)展?jié)摿Φ募夹g(shù)之一。文章采用316L不銹鋼粉，利用激光選區(qū)熔化成形技術(shù)進(jìn)行金屬3D成型，分析了成型中因支撐強(qiáng)度不足和支撐添加不當(dāng)引起的缺陷，提出了采用網(wǎng)格支撐和錐形支撐嵌套方式解決支撐無力的問題的方法，并以鏤空結(jié)構(gòu)的零件為例，提出了優(yōu)化支撐的零件擺放方式。文章的分析結(jié)果對(duì)SLM金屬3D打印中支撐添加優(yōu)化具有借鑒意義。

增材制造技術(shù)也稱3D打印技術(shù)，是通過微積分的概念將三維實(shí)體模型數(shù)據(jù)離散成二維截面數(shù)據(jù)，再將二維截面數(shù)據(jù)在高度方向上掃描累積，最終形成三維實(shí)體零件。3D打印技術(shù)在航空航天、汽車、生物醫(yī)療等領(lǐng)域具有廣闊的發(fā)展前景，被稱之為“第三次工業(yè)革命”[1]。目前，金屬零件的快速成形方法主要有間接激光燒結(jié)、直接激光燒結(jié)和液滴噴射沉積，其中直接激光燒結(jié)技術(shù)是目前快速制備致密金屬零件的主要技術(shù)。激光選區(qū)熔化成形技術(shù)SLM(Selective Laser Melting，簡(jiǎn)稱SLM)是金屬3D打印的重要分支，在強(qiáng)度、精度、致密性方面表現(xiàn)出色，成為了增材制造體系中最具發(fā)展?jié)摿Φ募夹g(shù)之一[3-4]。

基于SLM技術(shù)的3D打印質(zhì)量受原材料、支撐添加、工藝參數(shù)(如激光功率、掃描速度、層厚和掃描間距等)的影響。成型缺陷包括宏觀(如翹邊、坍塌和支撐無法剔除等)和微觀(如空隙率較大、致密度較差)兩個(gè)層面。本實(shí)驗(yàn)使用的增材制造設(shè)備為BLT-S200型激光3D成型機(jī)，如圖1所示。設(shè)備最大成型尺寸100 mm×100 mm×200 mm，分層厚度20～60 μm。成型材料為316L不銹鋼粉，牌號(hào)為022Cr17NI12M02。本文主要針對(duì)由支撐引起的零件宏觀表面質(zhì)量缺陷進(jìn)行分析和優(yōu)化研究，結(jié)果對(duì)同類零部件成型具有普遍參考意義。

支撐添加的必要性

圖1 BLT-S200型激光3D成型設(shè)備

SLM成型過程中，每成型一層，成型平臺(tái)相對(duì)于激光掃描方向沿Z軸下降一個(gè)層厚高度，再進(jìn)行下一層成型過程[5]。支撐添加主要有以下三個(gè)作用：一是承托固定。當(dāng)成型結(jié)構(gòu)中存在懸空結(jié)構(gòu)或不滿足成型角度的面時(shí)，需要通過添加支撐對(duì)此類結(jié)構(gòu)進(jìn)行承托，避免重力造成塌陷。二是抵消應(yīng)力。SLM成型中，由于激光燒熔產(chǎn)生的熱應(yīng)力可能引起成型體的翹邊變形，通過添加具有一定強(qiáng)度的支撐對(duì)零件進(jìn)行保護(hù)，防止零件由應(yīng)力造成的變形。三是用支撐形成散道，便于降低激光燒熔熔池的溫度，從而減少熔池周邊粉末的黏連，提升SLM成型質(zhì)量。

SLM成型中常見支撐類缺陷

支撐強(qiáng)度不足引起的成型結(jié)構(gòu)變形

在SLM金屬3D成型中，網(wǎng)格支撐和錐形支撐應(yīng)用較廣。網(wǎng)格支撐由非常密集的格子組成，可以保證成型體表面質(zhì)量，但強(qiáng)度較低。錐形實(shí)體支撐具有較好的力學(xué)性能和承載強(qiáng)度，但密度過大不易去除。網(wǎng)格支撐基本形貌如圖2所示，錐形實(shí)體支撐基本形貌如圖3所示。其中錐形支撐屬于實(shí)體結(jié)構(gòu)支撐，較網(wǎng)格支撐承載力大，但相對(duì)難以去除。

圖2 網(wǎng)格支撐的側(cè)視圖和底視圖

圖3 椎體支撐的側(cè)視圖和底視圖

圖4的零件僅添加網(wǎng)格支撐，在成型過程中產(chǎn)生了支撐和成型實(shí)體、支撐和成型平臺(tái)發(fā)生剝離的現(xiàn)象。經(jīng)分析，產(chǎn)生的原因如下：一是成型基材預(yù)熱不充分，導(dǎo)致支撐底部與基材由于熱脹冷縮而發(fā)生脫落缺陷；二是支撐結(jié)構(gòu)為僅為網(wǎng)格支撐(如圖4所示)，且網(wǎng)格空隙偏大，成型結(jié)構(gòu)為實(shí)體塊，因此支撐結(jié)構(gòu)承載力不足以支撐高密度大質(zhì)量的實(shí)體，產(chǎn)生剝離缺陷。通過添加網(wǎng)格與錐形嵌套的支撐結(jié)構(gòu)，即在支塊狀支撐四周邊緣處添加錐形支撐(如圖5所示)可以更好地發(fā)揮兩種支撐的優(yōu)勢(shì)，加強(qiáng)支撐體的承載力和與結(jié)構(gòu)體之間的粘合力，解決結(jié)構(gòu)體翹邊剝落缺陷。

圖4 支撐強(qiáng)度不夠引發(fā)的零件缺陷

圖5 嵌套式支撐的側(cè)視圖和底視圖

支撐難以剔除引起的表面質(zhì)量缺陷

支撐結(jié)構(gòu)對(duì)提高具有懸空特征結(jié)構(gòu)的模型表面質(zhì)量具有重要作用，其不足之處是成型后與實(shí)體難以剝離[6]。圖6所示的鏤空結(jié)構(gòu)體在成型過程中采用圖7(b)中的支撐，出現(xiàn)了因支撐難以去除而產(chǎn)生的表面質(zhì)量缺陷。解決途徑主要有以下兩個(gè)方面：一是盡量以可行的最佳角度來放置模型，減少加支撐面的數(shù)量；二是優(yōu)化支撐類型，在保證承托結(jié)構(gòu)的同時(shí)，盡可能減小支撐與結(jié)構(gòu)體的接觸面積。

圖6 無法去除支撐的鏤空結(jié)構(gòu)

圖7 三種支撐添加方法

圖7 是圖6的三種支撐添加方法。將零件分別按三種方式進(jìn)行擺放，水平擺放、豎直擺放和傾斜擺放。通過Magic軟件添加支撐，支撐添加臨界角為45°，發(fā)現(xiàn)圖7(a)的水平擺放方式，支撐數(shù)量最多，且?guī)缀醣椴剂慵砻?；圖7(b)中，零件下半部分添加支撐過多；圖7(c)中，添加支撐相對(duì)較少，為三種擺放方式中的最優(yōu)方案。在保證支撐力度的前提下，優(yōu)化擺放角度時(shí)，適當(dāng)減小支撐與零件的接觸面積，便于成型過程結(jié)束后順利去除支撐。

結(jié)束語

對(duì)于支撐強(qiáng)度不足引發(fā)的宏觀質(zhì)量缺陷，可結(jié)合零件實(shí)際情況，采用網(wǎng)格和錐形實(shí)體棒嵌套的方式，提高支撐的承托強(qiáng)度；對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的鏤空結(jié)構(gòu)，采用優(yōu)化擺放角度和適當(dāng)較小支撐接觸面的方式，避免因支撐難以去除而造成的零件表面質(zhì)量缺陷。