3D打印需要注意的支撐結構與應力

在使用選擇性激光融化（SLM）技術的前期建模中，需要考慮的關鍵因素包括設計支撐結構，以及怎樣設計才能避免激光加工過程中熱應力帶來的變形問題。

從支撐結構到自支撐結構

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

的確，似乎沒人喜歡支撐結構，因為它不但影響生產(chǎn)的產(chǎn)量和成本，還會增加額外的打印時間、成本、后處理時間和復雜度。

這就帶來了支撐結構的優(yōu)化問題，要盡量減少和避免支撐結構的使用，就需要對所生產(chǎn)的零件的幾何形狀和它的構建局限性有著充分的了解。

下面，通過雷尼紹啤酒開瓶器的設計案例來領會如何消除支撐結構的需要。開瓶器原先的流線型設計圖如左（下），通過優(yōu)化其力學結構，獲得右（下）的結構，新的結構看似更更復雜，然而具有極佳的力學性能，但同時設計師需要知道的是，橙色的部分在SLM激光融化過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構，既不影響美觀，又不影響力學性能。經(jīng)過再次嘗試，這一次增加了一些額外的結構，以減少所需的額外支撐結構－如左（下）。在右（下）圖中，我們看到原來需要支撐的部分通過自支撐實現(xiàn)了優(yōu)化。現(xiàn)在，這個設計只需要一個極小的支撐將開瓶器與基臺連接起來。

殘余應力和變形

增材制造基本上是一個焊接過程，雖然激光束斑直徑比與傳統(tǒng)的焊接小，所以能量密度高。這可能會導致大的橫截面或在不同的橫截面區(qū)域的應力。這種應力會導致翹曲，在極端情況下，會使零件從支架上被“拔”起來，帶來裂縫的發(fā)生。如果無法避免厚結構的構建，最明智的選擇是通過一個較厚的構建板抵抗這些彎曲力量。

在一般情況下，需要避免通過增材制造來制造非常厚的結構，特別是鈦合金材料，因為鈦合金的熔融溫度和殘余應力會很高。在可能的情況下，壁應該薄并且一致，這樣不同區(qū)域中的應力不會導致其他區(qū)域發(fā)生變形。如果必須出現(xiàn)整塊的結構，可疑考慮用晶格來填充這些塊，以減少應力，并且節(jié)約重量，材料成本和構建時間。

晶格也可以用來支撐非常薄的薄壁結構，否則可能會導致由于應力引起的翹曲，因為它們冷卻。

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

總是，在每個產(chǎn)品構建之前，在建模的過程中，你就需要考慮增材制造過程，你需要一個精明的策略去揚長避短。

轉自3D科學谷