金属3D打印设计指南

本部分展示了不同的支架结构，这些结构都能增强医用植入物中的骨附着

为何选择直接金属打印

直接金属打印（DMSL）是一种增材制造技术，能够使用多种金属合金生产零件。从金属粉末开始，产品将逐层制造。每一层都会熔化到上一层上，从而形成一个与传统制造技术（如铣削、铸造）相当的坚固且致密的部件（高达99.9%）。在此过程中，几乎不会产生废料，并且可以构建出其他方法无法制造的复杂几何形状。

制造“自由形态”的内部复杂特征（如共形冷却通道）非常适合采用直接金属打印（DMSL）技术

将多个部件组合成一个产品，消除了装配工艺（如焊接）的弱点，从而增加了功能性

直接金属打印的优点

减轻体重

·钢、不锈钢、因康镍合金

-表面大-中等表面

-表面较小

定制产品

部件功能增强

快速生产

直接金属打印（DMP）工艺

·无粘合剂，无添加剂

· 高功率激光-> 完全致密部件（高精度（可达到10 微米层）

具有极快冷却过程的物理过程独特的超细微观结构优异的机械性能

·直接从CAD 模型打印

表面

中间表面

水平构建平台与物体表面切线之间的角度

朝上表面

朝上表面的特征是物体的法线指向远离构建平台的方向

朝上表面在不同角度的示例，角度范围从0 （左）到9（右），步长为1

朝下表面

朝下表面在不同角度的示例，角度范围从7到0（右），步长为1

对质量的影响

干式微细加工（DMP）中的表面质量取决于表面的朝向

所有增材制造技术固有的阶梯状效果，可以通过构建更多垂直或完全水平方向的表面来减轻。

在朝下的区域，浮渣形成效应在大多数情况下大于阶梯效应。浮渣是由于松散粉末熔化而产生的不需要的熔融物质和颗粒。

陡峭角度质量很好；朝下的表面质量极差，无法去除支撑结构

· 角度越小，熔渣形成越多，导致表面质量越差

低角度需要支撑结构

· 支持的人脸质量较差

熔渣形成：

在朝下的表面中，熔化层会下垂穿过下方的松散粉末，从而形成浮渣。

表面质量取决于表面类型和角度

热应力

为什么零件中会产生热应力?

高熔化温度例如，钛:1;不锈钢:1

快速冷却速率(

应力在各层中累积，因为在每一层中，顶层都会被加热并再次冷却。由于已固化的层阻碍了膨胀和收缩，从而产生了残余应力

变形行为具有材料特异性。

对这些压力的重要影响

oT~A热张力与熔融表面积成正比。

减少每层熔化的面积

·确保零件最长的方向沿着Z轴

·多个小部分优于一个大块

oT~AT热张力与凝固过程中的温度下降成正比

确保基板和机器之间有良好的热传导。热传导越好，零件翘曲的程度就越小。

热应力

如何处理热应力

· 残余应力会导致部件产生翘曲

· 需要支撑结构以避免翘曲并保持部件位置不变

·成型后部件中仍存在应力——如果立即移除支撑，部件仍会变形到所需位置。

· 在去除粉末后，移除平台和支撑之前，需要进行热处理以释放应力。

设计模型 翘曲与熔渣的形成 支撑结构

缩水线

缩水线产生的原因

当两个独立的实体在同一层中连接时，会出现收缩线

连接面收缩，并将两个实体相互拉近

下一层再次按原始尺寸打印

该部分中的线条可见

通常出现在桥梁/内部通道上

支撑结构

为了减少浮渣形成、翘曲和缩水纹，需要使用支撑

下表面区域浮渣形成较少

· 通过固体支撑实现更好的热传递

防止翘曲，并确保部件保持在固定位置

尽量减少缩水线

支撑结构有多种可能。以下是一些示例：

块状支撑物有利于防止浮渣形成

· 热传递需要坚实支撑，以防止翘曲并减少缩水线

零件定位指南

整体建造质量

根据整体质量对零件进行定位，主要依据的是朝下的表面。

朝下表面是零件粗糙度最高的最差表面。因此，通过减少朝下面积的数量，我们通常可以说，我们将提高该零件的质量。

朝下表面是指自支撑角(a)以下的表面。

自支撑角度取决于材料和打印工艺

钛合金a

钢、钴铬合金、铝合金a

下面的示例展示了这种情况的一个例子。

左侧部分有一条腿与打印平台形成3度角，因此这条腿必须得到支撑(因为它低于自支撑角度)*。

通过旋转同一部件3，我们可以看到腿部与打印平台形成6度角。这样，我们无需在该区域添加支撑，从而提高了该部件的整体质量。

避免朝下的表面

避免出现大的悬挑部分或大的朝下部分。

如果你使用中间和朝上的部分，而不是朝下的区域，那么零件的

成型效果会更好。

红色方向不好，因为悬垂部分过大。

绿色方向朝向是不错的选择，因为它直接安装在底板上，没有朝下的区域。

零件方向

孔、凹槽、螺纹等打印特征的质量取决于零件的朝向。

最佳质量是在Z 方向（垂直于打印平台）打印时获得的。

当沿X 方向（平行于打印平台）打印这些特征时，由于朝下效应，这些特征的质量会变差。

孔轴线垂直于建筑方向· 孔将为椭圆

形特征直径>8mm-需提供支撑

1. Z 方向上的孔下表面熔渣的形成。
2. X 方向上的孔

热应力

在定位零件时，我们要尽可能降低热应力。

这些热应力是由首先局部加热粉末并在粉末熔化后迅速冷却产生的。将

应力保持在尽可能低水平的一种方法是使横截面（即每层实际扫描的部

分）尽可能小。

右图所示：左侧朝向的横截面最小，热应力将降至最低。右侧朝向可

以进行打印，但需要一个非常坚固的支撑结构来保持部件位置不变。

小横截面 大断面

避免缩水线

发散方向优于收敛方向

任何两个实体相交的地方，都会产生一条收缩线，所以每个红圈处都会有一条可见的线。

在此设计中，您采用了分叉设计，因此创建了新的实体

而非进行连接，从而消除了收缩线。

设计控制条件

没有支撑物，能建造出什么来呢？

·钢、不锈钢、因康镍合金 a>60°

-表面大 a>60°

-中等表面 a>50-55°

-表面较小 a>45°

·钛，铝

-表面积大 a>50°

-中等表面 a>40-45°

-表面较小 a>35°

·水平圆形孔

-无支撑的 ∅ in<8mm

-需要支持 ∅ in>10毫米

水平桥

-无支撑的 L<1,2毫米

-需要支持 L大于1.5毫米

·水平向下法兰 L<0.75毫米

-无支撑的需要支持 L>0.75毫米

设计控制条件

· 高度依赖

-材料

-定位

-零件几何形状

最小可实现值

-最小壁厚- 0.18 毫米（非气密）- 0.20-0.25

毫米（气密）

- 最小矿柱尺寸-0.18 毫米

-最小孔径-0.30 毫米

这个测试样本展示了几何形状依赖性。0.3毫米和0.5毫米的柱子以及0.3毫米的肋条断裂了，因为它们在这里被设计为50毫米高的独立特征。

这个长度的最小支柱太脆弱了，在卸载部件时很容易断裂

墙体堆砌到一定高度后就会开始弯曲，因为它太脆弱了。这表明我们可以完美地建造这些墙体，但高度有限。

对于最小孔径:如果需要在水平方向打印非常小的孔，建

议进行偏移，以补偿孔顶部的毛刺形成。

设计指南

避免朝下的表面，并创建自支撑的几何结构

设计自由形态结构

·避免构建专为铸造或数控加工设计的零件。这类零件通常具有：

- 锐角

-逐步增强

· 使用自由结构

- 避免朝下区域，以获得更好的表面质量和更少的支撑需求

- 达到更高的准确度

- 在许多情况下，实现了更多的减重

尺寸精度

各层之间的渐变过渡：使用圆角（半径）、圆弧；使用倒角；

避免应力集中；采用有机设计

使用足够的支撑将零件固定到位，之后进行热处理以释放应力

拓扑优化设计

-通常易于构建

- 通常尽可能低，无需支撑

- 支撑越少> 变形越小> 产品越好！

· 采用常规后加工以提高精度

添加半径

·大型部件会累积大量应力

· 需注意设计，以避免底板或几何形状变化处出现裂纹。裂纹通常出现在应力高度集中的地方，例如角落

结合底板使用半径和偏移量

典型半径：2.5-5 毫米

内流道设计

· 打印大型（内部）悬垂物是不可行的

- 更改内部通道的设计（闭合角度大于45°）

- 角度部分处于自支撑角度（45°）

- 部件外侧可能需要额外的支撑结构

减重技术

·脚手架/格构结构

- 减轻重量

- 增强医疗应用中的骨结合力

· 不同类型的脚手架/格构式结构是可行的

·机械部件需要额外分析

燃烧室，采用12%体积密度网格的ESA 燃烧室横截面，重量显著减轻

天线支架（用于泰雷兹阿莱尼亚宇航公司生产的地球静止通信卫星）

混合型构建群

对于增材制造（AM）而言，大型零件并不总是可行的，或者可能体积过

大。以下两种方法提供了一种经济解决方案：

· 在已创建的数控（CNC）零件上构建复杂结构

- 在机器中进行准确对齐非常重要

- 顶部需要保持平整

在底板上构建复杂结构，然后对底板进行铣削：

- 用于模具应用

在模具的数控加工部分印制了具有保形冷却功能的模具

- 左下：模具的低复杂度、闭合部分

- 右下：模具3D 打印部分中的复杂共形冷却通道

总结

正确的做法：

• 增加附加值
• 功能需求优先级
• 以增材方式设计:拓扑优化，自由形态
• a>45°
• 发散设计
• 圆弧/圆角/倒角
• 面积减小=体积减小
• 避免层与层之间的大面积变化
• 在设计过程中，应尽快确定构建方向

不正确做法：

以减成法/传统方式进行设计

• a<45°
• 汇聚
• 直角、平悬挑
• 截面增大
• 可制造性优先
• 
  

结束，©茂登3D打印公司提供