3D打印需要注意的支撐結(jié)構(gòu)與應(yīng)力

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程中熱應(yīng)力帶來的變形問題。

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)建平臺的穩(wěn)定性；其二是支撐結(jié)構(gòu)帶走零件構(gòu)建過程中多余的熱量；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)建過程中的失敗幾率。

的確，似乎沒人喜歡支撐結(jié)構(gòu)，因?yàn)樗�不但影響生產(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。

這就帶來了支撐結(jié)構(gòu)的優(yōu)化問題，要盡量減少和避免支撐結(jié)構(gòu)的使用，就需要對所生產(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，通過雷尼紹啤酒開瓶器的設(shè)計(jì)案例來領(lǐng)會(huì)如何消除支撐結(jié)構(gòu)的需要。開瓶器原先的流線型設(shè)計(jì)圖如左（下），通過優(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，我們看到原來需要支撐的部分通過自支撐實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化�，F(xiàn)在，這個(gè)設(shè)計(jì)只需要一個(gè)極小的支撐將開瓶器與基臺連接起來。

殘余應(yīng)力和變形

增材制造基本上是一個(gè)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(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，帶來裂縫的發(fā)生。如果無法避免厚結(jié)構(gòu)的構(gòu)建，最明智的選擇是通過一個(gè)較厚的構(gòu)建板抵抗這些彎曲力量。

在一般情況下，需要避免通過增材制造來制造非常厚的結(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，在建模的過程中，你就需要考慮增材制造過程，你需要一個(gè)精明的策略去揚(yáng)長避短。

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