尚耀明，肖承翔，潘康華

（1.中國(guó)機(jī)械科學(xué)研究總院集團(tuán)有限公司，北京 100044；2.中機(jī)生產(chǎn)力促進(jìn)中心有限公司，北京 100044）

0 引言

增材制造（俗稱“3D打印”）是一種通過(guò)從無(wú)到有、逐層疊加方法使原料粘結(jié)在一起的制造技術(shù)[1]。近幾年增材制造技術(shù)迅猛發(fā)展，并在復(fù)雜功能和結(jié)構(gòu)的零部件加工方面展現(xiàn)出了較大優(yōu)勢(shì)，因此該技術(shù)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、醫(yī)療、電子電路、模具等多個(gè)領(lǐng)域。其中，選區(qū)激光熔化（Selective Laser Melting，SLM）以其精度高、操作方便、可選擇材料種類多等優(yōu)點(diǎn)被技術(shù)人員廣泛開發(fā)[2]。其原理簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 基于SLM增材制造原理簡(jiǎn)圖

在燒結(jié)成型過(guò)程中，當(dāng)零件某一平面與加工平面角度比較大時(shí)，下層堆積的金屬粉末可以提供足夠的支撐強(qiáng)度，保證激光燒結(jié)的順利進(jìn)行。但是當(dāng)零件某一懸垂面與加工平面角度過(guò)小時(shí)，下方生成的工件不足以為當(dāng)前激光燒結(jié)層提供足夠的支撐強(qiáng)度。熔池內(nèi)部由于重力作用和毛細(xì)作用會(huì)向下塌陷使得零件表面的光潔度變差，并且邊緣部分會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的翹曲變形。因此，如何合理添加支撐結(jié)構(gòu)是亟需解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

目前有大量文獻(xiàn)的研究重點(diǎn)集中于支撐結(jié)構(gòu)形狀、分布規(guī)律等。在支撐形狀方面，重點(diǎn)分析懸垂的幾何特征，然后設(shè)計(jì)相對(duì)應(yīng)的支撐參數(shù)，生成支撐；在細(xì)胞結(jié)構(gòu)支撐設(shè)計(jì)方面，盧等人基于沃羅諾伊圖算法提出了蜂窩細(xì)胞結(jié)構(gòu)支撐理論。為了保證加工零件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，并使中間空腔部分的空間最大化以節(jié)省支撐材料，作者將這一結(jié)構(gòu)進(jìn)一步細(xì)化；在樹結(jié)構(gòu)支撐設(shè)計(jì)方面，張等人提出了基于中軸樹的內(nèi)部支撐框架模型。首先建立一根扎實(shí)的主干中軸，以此為基礎(chǔ)向四周發(fā)散，生成大量茂密且粗糙的樹葉來(lái)提供較高的輕度支撐，以此將主干中軸這附近空腔的支撐材料節(jié)省出來(lái)。以上研究針對(duì)支撐結(jié)構(gòu)的理論做了深入分析，并取得對(duì)后續(xù)研究可以提供寶貴經(jīng)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)成果。

但隨著技術(shù)的快速發(fā)展，目前支撐結(jié)構(gòu)的自動(dòng)添加方式已經(jīng)非常成熟。增材制造最大的優(yōu)勢(shì)就是自由度高，因此面對(duì)不同的零件、加工方式，其對(duì)應(yīng)的支撐結(jié)構(gòu)應(yīng)靈活調(diào)節(jié)。此時(shí)軟件自動(dòng)生成的支撐結(jié)構(gòu)已經(jīng)不能滿足我們對(duì)于生產(chǎn)工藝的要求，例如軟件生成的支撐的數(shù)量過(guò)多、結(jié)構(gòu)太復(fù)雜，對(duì)加工材料和時(shí)間成本造成浪費(fèi)。改善該問(wèn)題需要對(duì)自動(dòng)生成的支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行手動(dòng)優(yōu)化，將人們生產(chǎn)過(guò)程中積累的大量操作經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行吸收融合，對(duì)某一特定類型的結(jié)構(gòu)給出相應(yīng)的支撐優(yōu)化方案，以提升生產(chǎn)加工效率，降低廢品率。

因此本文的研究重點(diǎn)為總結(jié)人工操作經(jīng)驗(yàn)對(duì)軟件生成的支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，將人工操作經(jīng)驗(yàn)升華為理論研究。以此展開深入研究，積累固化工藝經(jīng)驗(yàn)。從實(shí)際出發(fā)優(yōu)化增材制造過(guò)程中的支撐添加環(huán)節(jié)，減少設(shè)計(jì)返工和產(chǎn)品研制周期，為后續(xù)的金屬增材制造成型提供參考。

1 支撐設(shè)計(jì)理論研究

1.1 基于Magics軟件的支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

Magics在處理三角面片數(shù)據(jù)方面規(guī)定了易于使用并且高效的標(biāo)準(zhǔn)。是目前增材制造領(lǐng)域內(nèi)廣泛應(yīng)用的自動(dòng)化支撐添加工具。支撐生成是SLM增材制造工藝的核心?？焖俸?jiǎn)單地生成支撐結(jié)構(gòu)在快速成型制造中同樣至關(guān)重要。最終零件質(zhì)量取決于驗(yàn)證和調(diào)整后生成的支撐結(jié)構(gòu)。Magics可以在一個(gè)表面上提供多種支撐類型以及將這些不同支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行組合搭配。圖2為常用的幾種典型支撐結(jié)構(gòu)。

圖2 支撐結(jié)構(gòu)類型

1.2 結(jié)合人工經(jīng)驗(yàn)的支撐優(yōu)化規(guī)律

根據(jù)打印零件的特征、加工設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，結(jié)合大量人工操作經(jīng)驗(yàn)對(duì)打印零件的擺放位置、特征結(jié)構(gòu)等做出優(yōu)化調(diào)整。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出以下支撐添加規(guī)律：

1）懸垂角度。通常懸垂角是指懸垂結(jié)構(gòu)底面與基板的夾角。懸垂角α越小，懸垂結(jié)構(gòu)越容易變形，所需要的支撐也越強(qiáng)。臨界懸垂角與材料、燒結(jié)參數(shù)、加工設(shè)備環(huán)境等都有關(guān)系。通常我們給出的建議值為45°。

圖3 不同懸垂角度無(wú)支撐自生長(zhǎng)結(jié)果

2）工件的合理擺放。對(duì)于某些工件，通過(guò)合理擺放工件，可實(shí)現(xiàn)支撐的最少化。工件擺放以支撐盡可能少（尤其是表面質(zhì)量要求較高的面）為原則。應(yīng)盡量將較大的面貼近基板生長(zhǎng)，避免不必要的支撐結(jié)構(gòu)。原則上要求工件越往上面積越小。某些工件，減少支撐的工件擺放方式可能會(huì)使總的加工高度增加，加工時(shí)間會(huì)變大，則應(yīng)綜合考慮。合理擺放如圖4中右側(cè)零件擺放所示。

圖4 不同擺放方向支撐示意圖

3）懸垂結(jié)構(gòu)與刮刀移動(dòng)方向保持一致。當(dāng)雙方方向相反時(shí)，刮板逆向運(yùn)動(dòng)會(huì)因?yàn)槟Σ亮υ龃笫沽慵l(fā)生翹起，該情況下即使懸空角大于臨界懸空角，也應(yīng)設(shè)置支撐。因此，在條件允許的情況下，應(yīng)保證懸垂結(jié)構(gòu)與刮刀移動(dòng)方向保持一致。合理擺放規(guī)則如圖5中最右側(cè)擺放方式。

圖5 懸垂結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)方向與刮刀運(yùn)行方向示意圖（右上角箭頭方向?yàn)楣蔚哆\(yùn)行方向）

1.3 支撐優(yōu)化方案分析

第一步將具有復(fù)雜曲面的加工模型導(dǎo)入Magics軟件中添加所需的支撐；生成排包文件，然后將排包文件導(dǎo)入Simufact Additive仿真軟件，設(shè)置材料、參數(shù)，完成仿真分析[3]。得到零件的應(yīng)力應(yīng)變、變形云圖。分析仿真結(jié)果，結(jié)合支撐添加的操作經(jīng)驗(yàn)，執(zhí)行優(yōu)化方案設(shè)計(jì)。然后再次進(jìn)行仿真分析，對(duì)比支撐優(yōu)化后應(yīng)力應(yīng)變與變形是否在合理范圍內(nèi)[3]。

圖6 支撐優(yōu)化方案流程圖

2 仿真模擬

2.1 參數(shù)設(shè)置

根據(jù)上述方案對(duì)支撐進(jìn)行優(yōu)化，并進(jìn)行仿真對(duì)比。在仿真軟件中，體素大小數(shù)值為0.5，立體像素采樣率設(shè)置為5，設(shè)置閾值縮放為1，層厚度值為50μm，零件應(yīng)變閾值為5%[4]。實(shí)驗(yàn)所用材料為316L不銹鋼，其具體參數(shù)性能如表1所示[4]。

表1 316L不銹鋼材料參數(shù)

2.2 仿真結(jié)果分析

1）自動(dòng)添加支撐的零件變形分析

圖7為自動(dòng)生成支撐的零件分析結(jié)果圖。打印過(guò)程中的應(yīng)力應(yīng)變隨著打印模型高度的升高而增大，從圖中可以看出，最大變形集中在曲面葉輪的外側(cè)邊緣部分與底座部分，此時(shí)最大變形量約為159.65μm，沒(méi)有發(fā)生明顯翹曲變形；高應(yīng)力區(qū)域主要集中在底座部分，仿真過(guò)程中應(yīng)力峰值約為381.57MPa。因此在保證曲面結(jié)構(gòu)成型完整的前提下，可以適當(dāng)對(duì)自動(dòng)添加的支撐部分進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化以降低時(shí)間和材料成本，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品合格率。

圖7 自動(dòng)生成支撐的零件分析結(jié)果圖

2）優(yōu)化支撐方案的零件變形分析

圖8為優(yōu)化支撐方案的零件分析結(jié)果圖。從圖中可以看出，零件的應(yīng)力應(yīng)變分布與自動(dòng)生成支撐的分析結(jié)果基本一致。最大變形量約為176.50μm，峰值增幅為10.56%不會(huì)產(chǎn)生明顯的翹曲變形；高應(yīng)力區(qū)域同樣集中在模型底座部分，應(yīng)力峰值約為399.92MPa，峰值增幅為4.81%。

圖8 優(yōu)化支撐方案的零件分析結(jié)果圖

分析可得，在零件支撐未去除時(shí)，優(yōu)化支撐方案下基本不會(huì)使零件發(fā)生變形；優(yōu)化支撐方案的支撐體積為599.910mm3，自動(dòng)添加的支撐體積為1237.723mm3，相比較支撐體積減少了51.53%。這意味著可以減少加工材料的消耗，降低成本，減少后期處理支撐給零件帶來(lái)的影響，體現(xiàn)出優(yōu)化方案的優(yōu)勢(shì)。

將支撐去除，再次對(duì)兩種方案的零件變形量結(jié)果進(jìn)行分析，優(yōu)化方案的數(shù)值略高于自動(dòng)生成方案，且都在零件的應(yīng)力閾值范圍內(nèi)。并且變形最嚴(yán)重的位置位于基底，對(duì)零件的關(guān)鍵功能影響不大。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)手動(dòng)添加支撐組進(jìn)行零件打印試驗(yàn)，驗(yàn)證其理論的可行性。本試驗(yàn)采用華曙FS121M型號(hào)金屬3D打印機(jī)，金屬粉末為316L不銹鋼。將模型與支撐導(dǎo)入軟件內(nèi)完成加工參數(shù)設(shè)置，軟件根據(jù)參數(shù)對(duì)模型切片并生成掃描路徑，激光在振鏡的控制下按照路徑掃描金屬粉末，逐層燒結(jié)，最后得到三維實(shí)體如圖9所示[5]。

從圖9中可以看到，在只添加少量關(guān)鍵支撐后，零件的打印仍能順利進(jìn)行，并未發(fā)生較大變形與塌陷。零件部分復(fù)雜曲面可在參數(shù)、支撐優(yōu)化的控制下實(shí)現(xiàn)良好的無(wú)支撐打印，因此也驗(yàn)證上述文中支撐優(yōu)化理論的正確性與可行性，為未來(lái)生產(chǎn)制造積累經(jīng)驗(yàn)。

圖9 優(yōu)化支撐后零件成型效果

4 結(jié)語(yǔ)

本文主要對(duì)采用選區(qū)激光熔化增材制造技術(shù)在打印金屬零件過(guò)程中出現(xiàn)的塌陷問(wèn)題進(jìn)行研究，分析金屬增材制造中支撐添加的基本規(guī)律。并通過(guò)仿真軟件對(duì)支撐優(yōu)化前后的零件進(jìn)行仿真。對(duì)比分析，并將優(yōu)化后的支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行打印試驗(yàn)驗(yàn)證，驗(yàn)證文中優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的正確性。通過(guò)執(zhí)行優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，模型順利成型、無(wú)明顯塌陷、變形。在保證成型零件的成型精度的同時(shí)，還節(jié)省大量時(shí)間、材料成本，提高了產(chǎn)品合格率，為后續(xù)的金屬增材制造成型提供參考思路。