SLM快速成型中的支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究*

曹冉冉，李 強(qiáng)，錢 波

(北方工業(yè)大學(xué)機(jī)械與材料工程學(xué)院，北京 100041)

0 引言

快速成型是20世紀(jì)80年代興起并得到迅速發(fā)展的新概念制造技術(shù)，不同于傳統(tǒng)去除材料的機(jī)械加工方法?？焖俪尚驮谠霾纳L基本理念的基礎(chǔ)上，根據(jù)CAD模型快速生產(chǎn)出零件，其集成有CAD模型技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、激光技術(shù)、材料科學(xué)等，逐漸成為一種新型先進(jìn)制造技術(shù)［1］。大致可分為以下幾大快速成型工藝:光固化快速成型(SLA)、選擇性激光燒結(jié)(SLS)、分層實(shí)體成型(LOM)、熔融沉積成型(FDM)和選擇性激光熔融成型(SLM)［2］。其中基于選擇性激光熔融成型的制造特點(diǎn)，在零件關(guān)鍵部位合理地添加支撐直接決定零件能否連續(xù)成長、以及成型件的精度和性能。因此在選擇性激光熔融成型中對具有懸垂或曲面傾斜度過大的零件，進(jìn)行支撐結(jié)構(gòu)的必要性、合理性研究對于快速成型的科學(xué)應(yīng)用提供重要的參考依據(jù)。

目前，對于支撐工藝的研究大量集中在對支撐的生成算法研究或總體規(guī)則設(shè)定上［3］，在零件的實(shí)際制造過程中，使用工藝軟件添加的支撐結(jié)構(gòu)往往并不合理，不能直接將其生成的模型運(yùn)用到零件加工中，針對一種常用材料在優(yōu)化后的參數(shù)下進(jìn)行了關(guān)于支撐結(jié)構(gòu)的研究，得出支撐結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系公式，對支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)起到一定的指導(dǎo)作用。

1 支撐結(jié)構(gòu)

選擇性激光熔融成型過程中，支撐的主要作用體現(xiàn)在:①承接下一層未成型粉末層，防止激光掃描到過厚的金屬粉末層，發(fā)生塌陷;②由于成型過程中粉末受熱熔化冷卻后，內(nèi)部存在收縮應(yīng)力，導(dǎo)致零件發(fā)生翹曲等，支撐結(jié)構(gòu)連接已成型部分與未成形部分，可有效抑制這種收縮，能使成型件保持應(yīng)力平衡。對于無支撐的豎直向上生長的零件，比如柱狀體，粉末在已成型面上均勻分布，此時(shí)其下方已成型部分的作用相當(dāng)于一種實(shí)體支撐;對于有傾斜曲面的零件，比如懸臂結(jié)構(gòu)，此時(shí)若無支撐結(jié)構(gòu)，成型失敗主要體現(xiàn)在:①由于有很厚的金屬粉末，粉末不能完全融化，熔池內(nèi)部向下塌陷，邊緣部分會上翹;②在進(jìn)行下一層粉末的鋪粉過程中，刮刀與邊緣部位摩擦，由于下方?jīng)]有固定連接，該部分會隨刮刀移動和翻轉(zhuǎn)，無法為下一層制造提供基礎(chǔ)，成型過程被破壞。添加支撐能有效防止此類現(xiàn)象發(fā)生。

綜上所述，在選擇性激光熔融成型中，支撐結(jié)構(gòu)作用為:

(1)承接下一層粉末層，保證粉末完全融化，防止出現(xiàn)塌陷。

(2)抑制成型過程中由于受熱及冷卻產(chǎn)生的應(yīng)力收縮，保持成型件的應(yīng)力平衡。

(3)連接上方新成型部分，將其固定，防止其發(fā)生移動或翻轉(zhuǎn)［4］。

實(shí)際的運(yùn)用中具體的體現(xiàn)如下:

圖1為根據(jù)具體零件的曲面造型設(shè)計(jì)的支撐結(jié)構(gòu)圖，由圖1可看出是否添加支撐以及添加支撐的結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣直接決定了零件能否完整成型;其中圖1(a)為未添加支撐導(dǎo)致零件制作失敗的模型及失敗零件，從圖明顯看出零件邊緣有缺失，這是因?yàn)榱慵吘壈l(fā)生嚴(yán)重翹曲，使得刮刀進(jìn)行下一層鋪粉時(shí)與零件已成型部分發(fā)生碰撞，導(dǎo)致曲面制作失敗;圖1(b)為添加合理支撐結(jié)構(gòu)的模型及成功零件，可看到模型添加合理的支撐后，設(shè)備能夠很流暢的制作出零件，零件特征滿足精度要求;圖1(c)為添加支撐結(jié)構(gòu)不合理導(dǎo)致零件成型失敗，可看出不合理的支撐，成型過程中支撐生長的不飽滿，不同部位的支撐發(fā)生凸起或塌陷，導(dǎo)致支撐體無法繼續(xù)生長;圖1(d)為優(yōu)化支撐結(jié)后的模型及成功制件，可以看出正確合理的支撐結(jié)構(gòu)能夠滿足制造有復(fù)雜曲面的零件的要求。由此可見，合理的支撐結(jié)構(gòu)對于零件制造的重要性。

圖1 支撐結(jié)構(gòu)運(yùn)用的實(shí)物圖

2 支撐結(jié)構(gòu)參數(shù)

在不同的零件的選擇性激光熔融成型中需要添加不同的支撐結(jié)構(gòu)，具體需求由曲面產(chǎn)生的傾斜度α決定［5］，α相關(guān)的結(jié)構(gòu)參數(shù)有:支撐分布密度ρ;支撐當(dāng)量半徑r;支撐半徑補(bǔ)償r'。

(1)圖2(a)為傾斜角示意圖，如圖所示:傾斜度α為三角形切片的法線方向與豎直向上z軸方向間的夾角的余角，α角是決定是否添加支撐的決定性參數(shù)，α角越大，需要添加的支撐越多，支撐分布的越密集，支撐機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)存在一個α角的極限值αmax，即傾斜角度大于極限值時(shí)曲面需要添加支撐。

(2)圖2(b)為分布密度示意圖，如圖所示，分布密度ρ為投影到水平面上的單位面積s0內(nèi)支撐體的個數(shù)，分布密度越大，越有利于成型過程的進(jìn)行，但過大的分布密度也會導(dǎo)致支撐難以去除。

(3)圖2(c)為支撐當(dāng)量半徑示意圖，如圖所示，支撐當(dāng)量半徑r是以支撐體橫截面的面積做圓對應(yīng)的半徑，當(dāng)量半徑越大，支撐體的強(qiáng)度越高，越有利于支撐體的生長，但當(dāng)量半徑過大時(shí)，支撐體與零件間的連接強(qiáng)度過高，去除支撐時(shí)成本過大;同時(shí)當(dāng)量半徑過小時(shí)，出于一些不可控的環(huán)境因素，支撐體的成型會有微小的翹曲或塌陷，由于設(shè)備采用刮刀式鋪粉機(jī)構(gòu)，刮刀與強(qiáng)度不高的支撐體輕微摩擦經(jīng)過累積后會導(dǎo)致支撐體成型的參差不齊，最終無法起到支撐的作用，這點(diǎn)在圖2(a)中表現(xiàn)尤其突出，因此設(shè)計(jì)支撐結(jié)構(gòu)時(shí)應(yīng)合理選擇當(dāng)量半徑。

(4)圖2(d)為支撐半徑補(bǔ)償示意圖，如圖所示，支撐半徑補(bǔ)償r'是指支撐體與零件輪廓要保持一定的間隙，避免支撐體與零件生長到一體，易于支撐的后期處理，其取值與處理方法有直接聯(lián)系。

圖2 支撐結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖

3 采用SLM工藝成型實(shí)驗(yàn)方法

采用SLM工藝針對一系列不同參數(shù)的曲面零件進(jìn)行成型實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)采用課題組自主研制開發(fā)的DYLM－200激光金屬成型設(shè)備(采用500 W激光發(fā)射器、抽真空沖氦氣保護(hù)、三軸送粉及回收裝置、循環(huán)水冷卻系統(tǒng)、運(yùn)動控制單元)，原材料統(tǒng)一采用不銹鋼316粉末，顆粒直徑為0.038 mm。事先確定好幾組有明顯特征的參數(shù)模型，經(jīng)過經(jīng)驗(yàn)嘗試，獲得最優(yōu)的工藝參數(shù)，最終結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析參數(shù)之間關(guān)系，如圖3。

4 實(shí)驗(yàn)參數(shù)的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)的設(shè)計(jì)

采用SLM工藝，設(shè)計(jì)了一系列具有不同結(jié)構(gòu)的零件模型，零件有不同高度、直徑、傾斜角度，針對不同的結(jié)構(gòu)探求是否需要添加支撐以及適合的支撐結(jié)構(gòu)參數(shù)，并在多次經(jīng)驗(yàn)試驗(yàn)的情況下篩取最優(yōu)的工藝參數(shù)。由于實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖翘剿鞑煌瑑A斜角度下最優(yōu)的支撐結(jié)構(gòu)參數(shù)，需要先確定零件的最大傾斜角，筆者針對旋轉(zhuǎn)體零件探討，計(jì)算方法如下:以三線螺旋為例，其角度計(jì)算示意圖如圖4。

圖3 DYLM－200激光金屬成型設(shè)備

圖4 傾斜角α的計(jì)算原理圖

將半徑為r處的螺旋線剪開，伸展開后L即為螺旋線投影到水平面的弧長，h為螺旋線高度，用此方法將傾斜角α的計(jì)算從空間轉(zhuǎn)換到平面，不難得出:

由于本實(shí)驗(yàn)中多選用旋轉(zhuǎn)件，對于其他旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，通過投影方法得到式(2)同樣適用，需要注意的是L不代表半徑終端從起點(diǎn)到終點(diǎn)的距離，也不是起點(diǎn)與終點(diǎn)連線投影到水平面得到的線段，而是曲線投影到底平面的弧長。

選取不同結(jié)構(gòu)的零件，確定尺寸，用以上方法求得不同模型的最大傾斜角，并根據(jù)零件的尺寸及傾斜角設(shè)計(jì)適合的支撐結(jié)構(gòu)，表1給出了實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷慕Y(jié)構(gòu)參數(shù)。

表1 零件及支撐結(jié)構(gòu)參數(shù)

確定好模型結(jié)構(gòu)參數(shù)后，需制定具體的加工工藝，選用不銹鋼316粉末作為實(shí)驗(yàn)材料，由于其良好的吸收熱量及傳導(dǎo)熱量的特性，決定了激光輸入功率不能過大，同時(shí)由于零件壁厚、傾斜角、懸垂長度的不同，需要給每個零件設(shè)定不同的工藝參數(shù)，而且在支撐體與零件實(shí)體結(jié)合處需要實(shí)時(shí)調(diào)整參數(shù)，表2給出經(jīng)過多次嘗試得出的良好工藝參數(shù)。

表2 加工工藝參數(shù)

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析

采用上述實(shí)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果，成功成型的零件從基板上切除后，測量其外觀尺寸與輸入CAD模型相差小于0.02 mm，完全達(dá)到工業(yè)使用要求，圖5～8實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ图皩?yīng)的成型結(jié)果。

圖5 渦輪模型及成型圖

圖6 凸臺模型及成型圖

圖7 三線螺旋模型及成型圖

圖8 葉輪模型及成型圖

分析圖中結(jié)果，圖5(a)支撐結(jié)構(gòu)當(dāng)量半徑為0.06 mm，且為了便于去除支撐，在支撐根部及頂部附近開有細(xì)腰口，分布密度設(shè)置較小，這幾者導(dǎo)致成型到細(xì)腰口時(shí)支撐體斷開，無法連續(xù)成型，形成圖5(b)失敗件，圖5(c)對支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，當(dāng)量半徑改為0.08 mm，在接近邊緣的下表面分布密度加大，結(jié)果成功成型。圖6(a)雖然支撐結(jié)構(gòu)合理，但由于傾斜角過大，盡管最后勉強(qiáng)成型，但在圖6(b)中可看到凸臺懸垂面有明顯的翹曲，如果零件按比例擴(kuò)大尺寸，使用這種方法可能無法成型，可見對于傾斜角度過大的零件，需要找尋其他辦法成型。圖7中添加了合理的支撐結(jié)構(gòu)，結(jié)果得到了理想的成型效果。圖8中葉輪模型葉片邊角處傾斜角大于極限值，需要添加支撐，過渡到上方后傾斜角變小，無需再添加支撐。圖8中合理的在關(guān)鍵部位添加了支撐，取得良好的效果。

由以上分析可看出，是否添加支撐很大程度上取決于零件的傾斜角度，同時(shí)支撐的結(jié)構(gòu)參數(shù)決定了最終能否成功成型，為了實(shí)際工作中的成型需要，將這些參數(shù)整理到經(jīng)驗(yàn)公式如下:

式中:φ(α)是α的函數(shù)，通過對具有不同傾斜角的零件模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)計(jì)算獲得φ(α)值，得出φ(α)的經(jīng)驗(yàn)值表，此公式可用于指導(dǎo)合理的設(shè)計(jì)支撐結(jié)構(gòu)。

5 結(jié)論

(1)傾斜角α是決定是否添加支撐以及確定支撐結(jié)構(gòu)參數(shù)的重要因素。

(2)提出并定義了支撐結(jié)構(gòu)與傾斜角關(guān)聯(lián)的幾個結(jié)構(gòu)參數(shù):支撐當(dāng)量半徑r、分布密度ρ、半徑補(bǔ)償r'，并推導(dǎo)了傾斜角的計(jì)算公式。

(3)提出支撐結(jié)構(gòu)參數(shù)與傾斜角的經(jīng)驗(yàn)公式，對實(shí)際工作中設(shè)計(jì)合理的支撐結(jié)構(gòu)提供理論依據(jù)。

［1］ 許開國，張錦光，胡業(yè)發(fā).熔融擠壓快速成型中支撐工藝的研究［J］.機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2008(9):1163 －1164.

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［3］ 錢 波，莫建華，張李超.光固化快速成形中網(wǎng)形支撐生成算法的研究［J］.新技術(shù)新工藝，2005(2):122.

［4］ 洪 軍，李滌塵，唐一平，等.快速成型中的支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)策略研究［J］.西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2009(9):59－60.