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金属增材制造设计 — 入门指南

增材制造 (AM) 为构建具有自由形状和复杂特征的零件提供了极大的自由度,可直接根据CAD数据制造成品,无需使用成本高昂的加工工具。若以传统方式来制造这些设计复杂的零件,则显得非常不切实际,甚至根本不可能完成。增材制造技术制造的零件往往更轻、更高效且能够更好地发挥工作性能。

然而,这并不是说这种灵活性能够让我们随心所欲地设计任何想要的形状,至少在成本的约束下,我们也不可能做到这一点。

与任何制造工艺一样,增材制造技术也有自己的优势和局限性。例如,对于采用激光粉末床熔化技术制作的零件,如果设计有悬伸部分 — 也就是具有要在未熔粉末的顶部进行熔融加工的位置 — 则可能需要设计一次性支撑才能顺利完成加工。这些支撑会增加加工时间、消耗更多材料,而且还需要额外的后处理来进行移除。


金属增材制造设计 — 入门指南 — 增材制造零件

功能经过优化的零件

右图 — 功能虽经优化但并不是为用于增材制造 (AM) 而设计的零件可能需要大量支撑,导致它们的制造效率偏低。

因此,如果我们打算采用增材制造技术生产性能优异的零件,同时又要兼顾经济和实用性,那么增材制造设计 (DfAM) 就变得尤为重要。“拓扑优化确实是最优的吗?”一文介绍了功能优化与工艺设计之间的紧密联系。

本文则介绍了能够提高增材制造加工的成功率及生产效率的诸多关键因素,并解释了设计师在开发高效的生产零件时应遵循的一些重要指导原则。

金属增材制造设计 — 入门指南 — 功能虽经优化但未设计用于增材制造 (AM) 的零件可能需要大量支撑

因素1 — 残留应力

残留应力是快速加热和冷却的必然产物,这是激光粉末床熔化工艺的固有特性。每一个新的加工层都是通过如下方式构建的:在粉末床上移动聚焦激光,熔化粉末顶层并将其与下方的一个加工层熔合。热熔池中的热量会传递至下方的固体金属,这样熔融的金属就会冷却并凝固。这一过程非常迅速,大约只有几微秒。

新的金属层在下层金属的上表面凝固和冷却时会出现收缩现象,但由于受到下方固体结构的限制,其收缩会导致层与层之间形成剪切力。

热量传递与收缩凝固

上图 — 激光在固体基体的顶部熔融金属形成新的焊道(左)。激光沿着扫描矢量移动并熔融粉末,随后通过将热量传递至下方的固体金属,熔融后的粉末开始冷却。凝固后,冷却金属收缩,该金属层与下一层之间就会形成剪切力(右)。

残留应力具有破坏性。当我们在一个加工层顶部增加另一个加工层时,应力随之形成并累积,这可能导致零件变形,其边缘卷起,之后可能会脱离支撑:
在比较极端的情况下,应力可能会超出零件的强度,造成组件破坏性开裂或加工托盘变形:

这些效应在具有较大横截面的零件中最为明显,因为此类零件往往具有较长的焊道,而且剪切力作用的距离更长。

尽可能减小残留应力

解决这一问题的手段之一是改变我们的扫描策略,选择一个最适合零件几何形状的方法。当我们用激光轨迹填充零件中心时,通常会来回移动激光,这一过程称之为“扫描”。我们所选择的模式会影响扫描矢量的长度,因此也会影响可能在零件上积累的应力水平。采用缩短扫描矢量的策略,则会相应减少产生的残留应力:

迂回扫描模式

  • 完成每层扫描后旋转67°
  • 加工效率较高
  • 残留应力逐渐增加
  • 适合小、薄特征

条纹扫描模式

  • 残留应力均匀分布
  • 适合大型零件
  • 加工效率高于棋盘扫描模式

棋盘扫描模式

  • 每层分为若干个5x5 mm的岛状区域
  • 完成每层扫描后将整体模式和每个岛状区域旋转67°
  • 残留应力均匀分布
  • 适合大型零件

上图 — 扫描策略与适合它们的不同零件类型。两种最常见的扫描策略分别是用于薄壁零件的“迂回”扫描(也称为光栅扫描),及用于具有较厚截面的零件的“条纹”扫描。“棋盘”或“岛状”扫描策略也同样有效。条纹和棋盘扫描可缩短各扫描线的长度,减少残留应力的累积。

我们也可以在从一个加工层移至下一个加工层时旋转扫描矢量的方向,这样一来,应力就不会全部在同一平面上集中。每层之间通常旋转67度,以确保在加工完许多层后扫描方向才会完全重复。

加热加工托盘也是用于减少残留应力的一种方法,而序后热处理也可减少累积的应力。

残留应力设计建议

尽可能通过设计消除残留应力:

  • 避免大面积不间断熔化
  • 注意横截面的变化
  • 混合加工将较厚的底板整合到增材制造零件中
  • 在应力可能较高的位置使用较厚的加工托盘
  • 选择一种合适的扫描策略

因素2 — 方向

在任何叠层制造工艺中,加工方向始终限定在Z轴 — 即垂直于加工托盘。请注意,加工方向并非始终都是通用方向。应当选择合适的方向,以便使用最少的支撑材料或不使用支撑材料来生产最稳定的加工件。

悬伸部分和熔融过程

在粉末床加工工艺中,由于形状是一层层构建起来的,因此层与层之间的关联方式非常重要。当每一层熔化时,它需要下面的一层来提供物理支撑和散热路径。

当激光熔化粉末层时,如果粉末层下方为固体金属,则热量会从熔池传递至下方结构,这会再次熔化部分固体金属并形成牢固的焊接。随着激光源移开,熔池也将快速凝固,因为热量已被有效传递出去。

如果零件具有悬伸部分,那么熔池下方区域至少有一部分会是未熔粉末。这些粉末的导热性远远低于固体金属,因此来自熔池的热量会保留更长时间,导致周围更多粉末烧结。结果可能是,多余材料附着在悬伸区域的底面,这意味着悬伸结构可能呈现出畸形和粗糙的表面。

固体金属和粉末

上图 — 在固体金属上方熔化粉末能够快速冷却(左)。当粉末熔化过程发生在悬伸区域时,由于其下方是未熔粉末,因此需要更长时间冷却,而多余的材料可能会附着在零件的底面。

摆放方向选择

一般来说,与加工托盘形成的角度小于45度的悬伸结构需要支撑。

悬伸表面被称为下表层。它们通常会呈现出比垂直壁面和朝上表面更粗糙的表面。这种效果是熔池冷却速度减慢导致悬伸结构下方的粉末局部烧结所致。

通常能够在多个方向上完成一个零件的加工。我们应选择可实现最理想的零件自身支撑的摆放方向,以便尽可能降低加工成本并减少后期处理工作。

设计阶段的加工件摆放方向考量是DfAM的基本原则之一。

金属增材制造设计 — 入门指南 — 设计阶段的加工件摆放方向考量是DfAM的基本原则之一。

上图 — 一个零件通常可沿多个方向完成加工,摆放方向的选择将大大影响支撑材料用量以及所需的后处理工作量。从左起:

  • 大悬臂,需要大量的支撑材料(显示为蓝色)
  • 修改设计,添加额外的锥形以减少支撑,结果可导致零件质量增加,可能需要后处理加工 / 线切割加工
  • 倾斜45度 — 除了一个局部最低点外,大部分采用零件自身支撑(详情请参见下文)。下表层和上表层将呈现出不同的表面粗糙度
  • 倒置,底面采用短支撑 — 加工时间缩短,但后期需要对支撑面进行精加工
  • 紧密附着在粉末床上,留出适合电火花 (EDM) 移除的毛坯余量 — 残留应力可能是个问题
  • 与前一种方式相似,但附着区域较少,减少了应力累积 — 从制造角度来看,这可能是最高效的设计
  • 最后一种方法(未显示)是将零件平放在托盘上。这可以降低加工高度,但也会限制可在加工托盘上摆放的零件数量,并且容易形成更大的残留应力。

最好是在零件设计过程的前期便使用加工文件处理软件评估各个摆放方向,以确定最有效的方式。一旦做好决定,便可以在此基础上继续进行详细设计。

局部最低点

局部最低点是零件上未与下方粉末熔融层连接的任何区域。这些区域在加工过程中需要添加支撑来固定。如果在下方没有支撑结构的情况下开始加工,当刮刀处理下一层时可能会造成第一个加工层发生位移,导致加工失败。

局部最低点可能会非常明显,如上例所示。它们也可能出现在与零件边缘相交的横孔和斜孔的顶部(如下例所示)。

特征摆放方向

如前所述,下表层的表面光洁度一般较差。如果我们要生产具有最佳精度的细节特征,那么最好将这些特征定位在零件的顶面,也就是上表层。嵌入下表层的细节特征很有可能会损失精度。

另一个要考虑的问题是零件相对于加粉刮刀的摆放方向。当添加一层新的粉末时,刮刀会在粉末床上铺开粉末,粉末逐渐被刮刀挤压以形成新的密集层。当材料被挤压时会在粉末床上形成压力波。该压力波会与朝向刮刀方向倾斜的零件表面相互作用,向下挤压粉末并向上挤压零件的前边缘。这可能会使零件钩到刮刀上,导致加工失败。请注意,柔性刮刀可以降低这种影响。

刮刀移动方向图

上图 — 加粉刮刀和零件斜边的相互作用

金属增材制造设计 — 入门指南 — 旋转调整位置

支撑和斜边的摆放应尽可能远离刮刀方向。通过旋转零件,压力波现在能够以倾斜的角度冲击零件,因此降低了零件变形的可能性。

如果无法通过旋转调整位置,或零件是旋转对称的,则可能需要添加支撑,而受影响的加工面可能需要进行后期处理。


摆放设计建议

  • 设计用于增材制造的零件的加工摆放方向应明显
  • 设计师应尽量创建自身支撑设计
  • 加工成功是首要考量
  • 残留应力表面光洁度也是受摆放方向影响的重要因素
  • 摆放方向可影响加工时间和成本
  • 具有复杂几何形状的零件可能不太容易摆放 — 通常需要在表面质量、细节、加工时间/成本和支撑结构之间权衡取舍
  • 设计师必须评估冲突因素以确定摆放方向

因素3 — 支撑

正如我们之前讨论的,依赖支撑来克服摆放方向问题不是一种好的工程设计实践。虽然我们可能会容忍在制造原型零件时付出额外的加工时间和后期处理成本,但是此类浪费在批量生产增材制造零件时则是难以接受的。过度依赖支撑表明这个零件的几何形状“不够稳固”,这对成品率有潜在影响。

支撑目的

尽管我们可以通过设计来尽可能减少支撑,但有时也不可能将其完全消除。支撑有三大主要功能:

隔离材料 — 支撑可用于“固定”未与前一层相连的材料(即与加工托盘形成的角度小于45°的悬伸结构,或局部最低点特征)。最好是将支撑结构集成到组件设计中。

残留应力 — 我们应通过设计来减小加工过程中的残留应力,避免尖锐边缘,并避免大面积加工区域直接附着在加工托盘上。如果这点无法实现,那么可以应用支撑来抵消零件中的应力,防止材料从加工托盘上脱落。这一方法不推荐用于批量生产加工件。

散热通道 — 未熔粉末是一种绝热体。支撑会从下表层区域转移走一些热量,这有助于避免粉末燃烧、过度熔化、变形和变色;对于正对刮刀方向的下表层,其效果尤为显著。通过旋转零件改变其与刮刀的相对朝向,也可减少上述不利影响。


主要支撑和辅助支撑

主要支撑指的是那些在CAD环境中随组件一起开发的支撑,它是一次性结构,当加工完成时将被移除。辅助支撑是那些在加工文件处理软件中生成的支撑。

主要支撑的特点是坚固,可控性更好。可以将它们导入到加工文件处理软件中(以STL形式),或与零件的主体一起设计。还可以使用完整的修订控制功能将它们以参数的形式导出。也可以执行有限元应力分析。此外,我们可以设计和模拟主要支撑,让其以可控方式传递热量。

在加工文件处理软件中创建的辅助支撑也可通过参数进行管理,但缺乏可追溯性和可重复性。如果更改零件设计,它们可能需要重建。

混合支撑设计充分利用CAD设计和加工文件处理软件的优势来实现最佳方案。

圆角和倒角

虽然0.3 – 1 mm的水平悬伸结构可采用自身支撑,但是不建议这样做。而超过1 mm的悬伸结构则必须要重新设计或为其添加支撑。可在组件中添加圆角和倒角以消除悬伸结构(如图中右侧所示)。

关于移除支撑的挑战

孔洞和管道内的支撑很难移除,并且可能需要后续加工。同样,支撑太小也会给移除带来难度。如果零件的几何形状比支撑更加脆弱,则在后期处理过程中零件损坏的风险较高。

水平细节 — 添加支撑或重新设计

零件侧面露出的横向孔可能也需要支撑。在大多数激光粉末床机器上可加工出的孔的最小尺寸为0.4 mm。

直径大于10 mm的孔洞和管道将需要在其中心添加支撑,此时应考虑重新设计。直径介于这两个尺寸之间的孔洞可在不添加支撑的情况下加工,但它们的下表层表面可能会出现一些变形,这是因为悬伸部分上方的熔池冷却速度减慢所致。

由于水平孔的圆度很可能不会十分理想,因此更可行的方法通常是改变它们的形状以便它们能够采用自身支撑。在某些情况下,泪滴形或菱形孔都是可以接受的最终特征。两种轮廓都可用于流体通道,并可提供相似的液压性能,但是菱形孔能够更好地抵抗流体压力。

在其他情况下,如果要求必须有高精度的圆孔,则需要进行后期加工。菱形孔可用作铣削加工的对称导孔,这点比泪滴形孔更好。在许多情况下,不在增材制造阶段加工这些孔,而是在后期处理阶段在实心结构上钻孔,这可能是最合理的方式。

  • 将10 mm以上的孔改造成自身支撑的菱形孔
  • 使用倒角半径以避免较高支撑
  • 移除相对加工托盘的悬伸角度小于45°的区域
  • 旋转下表层使其远离刮刀方向
  • 在增材制造加工完成后再加工小型特征
  • 直接紧贴加工托盘完成零件加工,同时留有额外的加工余量
  • 移除水平下表层区域

因素4 — 优化

金属增材制造设计 — 入门指南 — 蜘蛛形支架

拓扑优化和衍生设计越来越多地用于设计具有更高效率的零件。网状结构也具有减轻重量的优势。增材制造技术生产复杂形状零件的能力使之成为实现此类设计的最佳方式。

这些优化技巧的主要目的是,在移除多余材料的同时保持结构的强度和刚性。经过优化的零件通常呈现出更为复杂、有机的外观。需要注意的是,功能经过优化的零件可能未必适合采用增材制造方式加工 — 尤其就加工零件摆放方向而言。

例如,可明显看到,以水平摆放方向加工该零件时,那些突出显示为红色的悬伸区域内需要添加很多支撑。

沿垂直方向重新摆放零件后,需要添加支撑的区域将变少。圆孔等细节将需要添加支撑或重新设计。还需要注意的是优化的支撑杆与圆角半径的交汇角。

在设计阶段重新评估零件时已将摆放方向考虑在内,因此,很显然该零件在进行增材制造加工时只有一个摆放方向。现在要针对后期加工重新设计横向孔等细节:

横向加工优化

优化设计建议

  • 应用最小壁厚准则

  • 确定用于加工的临界表面

  • 考虑支撑定位和移除重新设计以便无需添加支撑

  • 设计时考虑零件摆放方向并相应修改细节

  • 确定是否可达到要求的表面光洁度

设计师可能需要结合各种优化技巧 — 拓扑优化、空心零件、网状结构(如适用)— 以实现高效的设计。零件摆放方向应该是继适用性、形状及功能之后的又一个关键的设计驱动因素。

总结

金属增材制造设计 — 入门指南 — 增材制造成品零件

增材制造技术为生产高效、高性能的零件提供了极大的设计自由。但是要想以最低的成本和最少的浪费来批量生产零件,则必须充分考虑增材制造的工艺特性。

将增材制造设计 (DfAM) 思想融入设计过程,这有助于最大程度提高加工成功率,并增强增材制造工艺的经济效益。毋庸置疑的是,设计师要想更具竞争力,则不仅必须头脑更加灵活,还应对增材制造工艺有更为深入的了解。