SLM金屬3D成型中支撐類缺陷優(yōu)化研究

供稿|李艷梅，藍哲雯，陳英俊 / LI Yan-mei, LAN Zhe-wen, CHEN Ying-jun

內(nèi)容導讀

激光選區(qū)熔化成形技術是金屬3D打印的重要分支，在強度、精度、致密性方面表現(xiàn)出色，已成為增材制造體系中最具發(fā)展?jié)摿Φ募夹g之一。文章采用316L不銹鋼粉，利用激光選區(qū)熔化成形技術進行金屬3D成型，分析了成型中因支撐強度不足和支撐添加不當引起的缺陷，提出了采用網(wǎng)格支撐和錐形支撐嵌套方式解決支撐無力的問題的方法，并以鏤空結構的零件為例，提出了優(yōu)化支撐的零件擺放方式。文章的分析結果對SLM金屬3D打印中支撐添加優(yōu)化具有借鑒意義。

增材制造技術也稱3D打印技術，是通過微積分的概念將三維實體模型數(shù)據(jù)離散成二維截面數(shù)據(jù)，再將二維截面數(shù)據(jù)在高度方向上掃描累積，最終形成三維實體零件。3D打印技術在航空航天、汽車、生物醫(yī)療等領域具有廣闊的發(fā)展前景，被稱之為“第三次工業(yè)革命”[1]。目前，金屬零件的快速成形方法主要有間接激光燒結、直接激光燒結和液滴噴射沉積，其中直接激光燒結技術是目前快速制備致密金屬零件的主要技術。激光選區(qū)熔化成形技術SLM(Selective Laser Melting，簡稱SLM)是金屬3D打印的重要分支，在強度、精度、致密性方面表現(xiàn)出色，成為了增材制造體系中最具發(fā)展?jié)摿Φ募夹g之一[3-4]。

基于SLM技術的3D打印質量受原材料、支撐添加、工藝參數(shù)(如激光功率、掃描速度、層厚和掃描間距等)的影響。成型缺陷包括宏觀(如翹邊、坍塌和支撐無法剔除等)和微觀(如空隙率較大、致密度較差)兩個層面。本實驗使用的增材制造設備為BLT-S200型激光3D成型機，如圖1所示。設備最大成型尺寸100 mm×100 mm×200 mm，分層厚度20～60 μm。成型材料為316L不銹鋼粉，牌號為022Cr17NI12M02。本文主要針對由支撐引起的零件宏觀表面質量缺陷進行分析和優(yōu)化研究，結果對同類零部件成型具有普遍參考意義。

支撐添加的必要性

圖1 BLT-S200型激光3D成型設備

SLM成型過程中，每成型一層，成型平臺相對于激光掃描方向沿Z軸下降一個層厚高度，再進行下一層成型過程[5]。支撐添加主要有以下三個作用：一是承托固定。當成型結構中存在懸空結構或不滿足成型角度的面時，需要通過添加支撐對此類結構進行承托，避免重力造成塌陷。二是抵消應力。SLM成型中，由于激光燒熔產(chǎn)生的熱應力可能引起成型體的翹邊變形，通過添加具有一定強度的支撐對零件進行保護，防止零件由應力造成的變形。三是用支撐形成散道，便于降低激光燒熔熔池的溫度，從而減少熔池周邊粉末的黏連，提升SLM成型質量。

SLM成型中常見支撐類缺陷

支撐強度不足引起的成型結構變形

在SLM金屬3D成型中，網(wǎng)格支撐和錐形支撐應用較廣。網(wǎng)格支撐由非常密集的格子組成，可以保證成型體表面質量，但強度較低。錐形實體支撐具有較好的力學性能和承載強度，但密度過大不易去除。網(wǎng)格支撐基本形貌如圖2所示，錐形實體支撐基本形貌如圖3所示。其中錐形支撐屬于實體結構支撐，較網(wǎng)格支撐承載力大，但相對難以去除。

圖2 網(wǎng)格支撐的側視圖和底視圖

圖3 椎體支撐的側視圖和底視圖

圖4的零件僅添加網(wǎng)格支撐，在成型過程中產(chǎn)生了支撐和成型實體、支撐和成型平臺發(fā)生剝離的現(xiàn)象。經(jīng)分析，產(chǎn)生的原因如下：一是成型基材預熱不充分，導致支撐底部與基材由于熱脹冷縮而發(fā)生脫落缺陷；二是支撐結構為僅為網(wǎng)格支撐(如圖4所示)，且網(wǎng)格空隙偏大，成型結構為實體塊，因此支撐結構承載力不足以支撐高密度大質量的實體，產(chǎn)生剝離缺陷。通過添加網(wǎng)格與錐形嵌套的支撐結構，即在支塊狀支撐四周邊緣處添加錐形支撐(如圖5所示)可以更好地發(fā)揮兩種支撐的優(yōu)勢，加強支撐體的承載力和與結構體之間的粘合力，解決結構體翹邊剝落缺陷。

圖4 支撐強度不夠引發(fā)的零件缺陷

圖5 嵌套式支撐的側視圖和底視圖

支撐難以剔除引起的表面質量缺陷

支撐結構對提高具有懸空特征結構的模型表面質量具有重要作用，其不足之處是成型后與實體難以剝離[6]。圖6所示的鏤空結構體在成型過程中采用圖7(b)中的支撐，出現(xiàn)了因支撐難以去除而產(chǎn)生的表面質量缺陷。解決途徑主要有以下兩個方面：一是盡量以可行的最佳角度來放置模型，減少加支撐面的數(shù)量；二是優(yōu)化支撐類型，在保證承托結構的同時，盡可能減小支撐與結構體的接觸面積。

圖6 無法去除支撐的鏤空結構

圖7 三種支撐添加方法

圖7 是圖6的三種支撐添加方法。將零件分別按三種方式進行擺放，水平擺放、豎直擺放和傾斜擺放。通過Magic軟件添加支撐，支撐添加臨界角為45°，發(fā)現(xiàn)圖7(a)的水平擺放方式，支撐數(shù)量最多，且?guī)缀醣椴剂慵砻妫粓D7(b)中，零件下半部分添加支撐過多；圖7(c)中，添加支撐相對較少，為三種擺放方式中的最優(yōu)方案。在保證支撐力度的前提下，優(yōu)化擺放角度時，適當減小支撐與零件的接觸面積，便于成型過程結束后順利去除支撐。

結束語

對于支撐強度不足引發(fā)的宏觀質量缺陷，可結合零件實際情況，采用網(wǎng)格和錐形實體棒嵌套的方式，提高支撐的承托強度；對于結構復雜的鏤空結構，采用優(yōu)化擺放角度和適當較小支撐接觸面的方式，避免因支撐難以去除而造成的零件表面質量缺陷。