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3D打印需要注意的支撐結(jié)構(gòu)與應(yīng)力

3D打印動(dòng)態(tài)
2016
01/18
17:55
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評(píng)論
在使用選擇性激光融化(SLM)技術(shù)的前期建模中,需要考慮的關(guān)鍵因素包括設(shè)計(jì)支撐結(jié)構(gòu),以及怎樣設(shè)計(jì)才能避免激光加工過(guò)程中熱應(yīng)力帶來(lái)的變形問(wèn)題。

從支撐結(jié)構(gòu)到自支撐結(jié)構(gòu)

通常,在選擇性激光融化過(guò)程中,支撐結(jié)構(gòu)的構(gòu)建是必要的,有幾方面原因:一方面是支撐結(jié)構(gòu)加強(qiáng)和支持零件與構(gòu)建平臺(tái)的穩(wěn)定性;其二是支撐結(jié)構(gòu)帶走零件構(gòu)建過(guò)程中多余的熱量;其三是支撐結(jié)構(gòu)可以防止零件翹曲以及減少零件構(gòu)建過(guò)程中的失敗幾率。

的確,似乎沒(méi)人喜歡支撐結(jié)構(gòu),因?yàn)樗坏绊懮a(chǎn)的產(chǎn)量和成本,還會(huì)增加額外的打印時(shí)間、成本、后處理時(shí)間和復(fù)雜度。

這就帶來(lái)了支撐結(jié)構(gòu)的優(yōu)化問(wèn)題,要盡量減少和避免支撐結(jié)構(gòu)的使用,就需要對(duì)所生產(chǎn)的零件的幾何形狀和它的構(gòu)建局限性有著充分的了解。

下面,通過(guò)雷尼紹啤酒開(kāi)瓶器的設(shè)計(jì)案例來(lái)領(lǐng)會(huì)如何消除支撐結(jié)構(gòu)的需要。開(kāi)瓶器原先的流線型設(shè)計(jì)圖如左(下),通過(guò)優(yōu)化其力學(xué)結(jié)構(gòu),獲得右(下)的結(jié)構(gòu),新的結(jié)構(gòu)看似更更復(fù)雜,然而具有極佳的力學(xué)性能,但同時(shí)設(shè)計(jì)師需要知道的是,橙色的部分在SLM激光融化過(guò)程中需要額外的支撐材料,如灰色線條所表示。



在這種情況下,可以考慮增加自支撐結(jié)構(gòu),既不影響美觀,又不影響力學(xué)性能。經(jīng)過(guò)再次嘗試,這一次增加了一些額外的結(jié)構(gòu),以減少所需的額外支撐結(jié)構(gòu)-如左(下)。在右(下)圖中,我們看到原來(lái)需要支撐的部分通過(guò)自支撐實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化。現(xiàn)在,這個(gè)設(shè)計(jì)只需要一個(gè)極小的支撐將開(kāi)瓶器與基臺(tái)連接起來(lái)。



殘余應(yīng)力和變形

增材制造基本上是一個(gè)焊接過(guò)程,雖然激光束斑直徑比與傳統(tǒng)的焊接小,所以能量密度高。這可能會(huì)導(dǎo)致大的橫截面或在不同的橫截面區(qū)域的應(yīng)力。這種應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致翹曲,在極端情況下,會(huì)使零件從支架上被“拔”起來(lái),帶來(lái)裂縫的發(fā)生。如果無(wú)法避免厚結(jié)構(gòu)的構(gòu)建,最明智的選擇是通過(guò)一個(gè)較厚的構(gòu)建板抵抗這些彎曲力量。



在一般情況下,需要避免通過(guò)增材制造來(lái)制造非常厚的結(jié)構(gòu),特別是鈦合金材料,因?yàn)殁伜辖鸬娜廴跍囟群蜌堄鄳?yīng)力會(huì)很高。在可能的情況下,壁應(yīng)該薄并且一致,這樣不同區(qū)域中的應(yīng)力不會(huì)導(dǎo)致其他區(qū)域發(fā)生變形。如果必須出現(xiàn)整塊的結(jié)構(gòu),可疑考慮用晶格來(lái)填充這些塊,以減少應(yīng)力,并且節(jié)約重量,材料成本和構(gòu)建時(shí)間。



晶格也可以用來(lái)支撐非常薄的薄壁結(jié)構(gòu),否則可能會(huì)導(dǎo)致由于應(yīng)力引起的翹曲,因?yàn)樗鼈兝鋮s。

即便是非常薄的壁,也可以考慮晶格結(jié)構(gòu),防止融化的金屬材料在冷卻的過(guò)程中發(fā)生卷曲現(xiàn)象。



總是,在每個(gè)產(chǎn)品構(gòu)建之前,在建模的過(guò)程中,你就需要考慮增材制造過(guò)程,你需要一個(gè)精明的策略去揚(yáng)長(zhǎng)避短。

轉(zhuǎn)自3D科學(xué)谷


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