無支撐金屬3D打印，可實現封閉葉輪的無支撐打印
魔猴君 知識堂 879天前
在金屬增材制造（AM）過程中，支撐物的添加和去除一直以來都是一大難題。以直接金屬激光燒結 (DMLS) 為例，打印前需要為模型預設支撐結構以避免熱應力引起的變形并將熱量從熔池中傳導出去。這些支架是設計的一部分，并作為一個整體制造。建造后，支撐結構被拆除并丟棄。倘若沒有支撐物，就難以打印出低于一定傾斜角度（通常45°左右）的懸撐結構，這往往限制了金屬3D打印系統用戶的選擇，也為許多設備OEM和增材制造軟件公司帶來了極大的挑戰
近日，據魔猴網了解，為解決上述問題，來自E0S公司Additive Minds的專家現在已經開發了多種工藝優化技術來生產無支撐結構的 3D打印部件，例如：定子環、外殼、渦輪泵、油箱、熱交換器、閥門和葉輪，其中封閉式葉輪是較為典型的案例之一。通過優化設計軟件和參數包，E0S使用戶能夠以更低的角度（有時甚至零角度）打印懸臂和橋梁，需要的支撐物少得多，甚至沒有。
無支撐增材制造也為后處理階段節省了大量時間，因為無需移除額外的支撐。在手動移除的情況下，這也可以讓員工騰出時間和精力用于其他工作。制造無支撐結構的零件也減少了材料的浪費，因為沒有任何東西被扔掉，零件和支撐設計的各個方面都是必要的。然而，這并不是一個簡單的過程，多年來軟件設計專家和制造商們一直致力于應對無支持設計的挑戰。
在本文中，主要展示了EOS的專家如何利用無支撐方法來構建葉輪。封閉式或罩式葉輪在許多行業都有應用，它們在尺寸、形狀、材料和性能要求上有很大的不同。封閉式葉輪經常暴露在各種極端條件下，如高轉速、高腐蝕性介質和極端溫度造成的機械負荷。例如，太空火箭中的渦輪泵應用，微型燃氣輪機中的壓縮系統，以及石油和天然氣應用中的海水泵。
傳統金屬3D打印中的支撐設計需求
設計帶有支撐的 3D 打印件一直是增材制造 (AM) 的標準方法。支撐的數量、大小和位置由多種因素決定：
打印過程中的殘余應力可能導致 3D 模型變形?？梢蕴砑又我詮奈锢砩戏乐惯@種變形；
重涂機的中斷 影響部件的中間構建可能會振動部件或造成損壞，從而導致工作不成功。支架用于保護零件免受重涂機的任何影響；
通過支撐的熱傳遞 使零件在構建過程中更快、更成功地冷卻和成型。
為確保3D打印機構建完成并成功生產零件，需要考慮到影響支撐設計的各種原因，包括：
零件方向 決定了零件有多少需要支撐。通常，如果零件被定向以便更大的表面積不在構建板上，則需要更多的支撐來補償上述因素。
45 度或更小的懸垂 通常被認為需要支撐結構。
通道和孔在沒有支撐的情況下可能會變形，具體取決于它們的大小以及它們是否定向無效。
模型設計
憑借正確的專業知識和創造性的解決問題的技能，EOS 的團隊成功地開發出新的方法來設計構建模型，打破了“低傾角必須添加支撐”的先入之見，并取得了出色的結果。本文用于展示無支撐結構和 DMLS 工藝功能的葉輪由 EOS Additive Minds 設計，直徑為 150 毫米，帶有 12 個懸垂角低至10 度的葉片。
△葉輪的設計。來源：EOS
構件傾斜方向與支撐結構
葉輪通常會以傾斜的方向打印，以避免內部支撐，因為它們很難移除。然而，這種定向通常會導致構建時間更長、表面質量不均勻，并且零件的圓形度會受到影響。平面方向提供了幾個優點，例如更短的構建時間、更好的圓度和精度以及整個零件的更均勻的表面質量。然而，低懸垂通常需要大量支撐。對于當前的 DMLS 工藝，需要支持角度小于 35° 的較大懸伸。需要支架來散發熔池的熱量，以補償重涂力和零件內部應力。
△傳統方向和由此產生的支撐結構（右），傾斜外殼（左）。來源：EOS
無支撐設計優化
EOS通過借助先進的模型設計技術，顯著減少了添加內部支撐的必要性。增材制造過程的設計優化也是關系到打印能否成功的另一個重要方面。雖然主要通過使用調整的暴露策略可以避免內部支撐，但通常仍然需要外部支撐結構。
在本文的葉輪案例中，無需使用實心填充，通過使用自支撐拱和薄壁對零件底部進行修改，以確保牢固的平臺連接并防止在構建過程中變形。這允許與傳統支架一樣使用更少的材料，同時提供高強度和改進的機械加工性。葉輪的外徑是封閉的，以便在構建時為零件提供更大的剛度，并防止出口邊緣的幾何精度損失。對于這種葉輪，先進的設計能夠減少 15% 的材料，同時具有加工優化和自支撐結構，并且沒有內部支撐。
△傳統vs 無支撐構建。來源：EOS
流程優化
葉輪采用所謂的高能 DownSkin 方法（用于構建懸垂表面的暴露類型）構建。本質上，該方法通過增加激光功率同時調整其他 DownSkin 參數來增加 DownSkin 曝光的能量密度輸入。這會產生更大但更穩定的熔池，尤其是在松散粉末上構建懸垂物時。該方法已成功用于許多經常用于制造葉輪的材料（例如 Ti64、316L、AlSi10Mg、In718 等）。
因此，可以確保所有臨界角都可以從這個優化的參數中受益。與其他無支撐技術不同，高能DownSkin 方法不會犧牲構建速度，因此不會犧牲商業案例來避免支撐。
在沒有任何對策的情況下，由于熔池較深，高能 DownSkin 方法會導致 DownSkin 區域中 z 方向的零件尺寸過大。零件可以通過后處理或通過調整設計來調整到合適的尺寸。DownSkin 也相對粗糙，但粗糙度是均勻的，這有助于大塊表面處理技術，如磨料流加工。也幾乎沒有任何孔隙（見下圖），孔隙僅限于 DownSkin。因此，整體機械性能不受影響，您仍然可以依賴 EOS 開發的高質量 InFill 工藝。因此，也不需要像熱等靜壓這樣的二次工藝來獲得足夠的機械性能。
△橫切高能DownSkin 曝光。來源：EOS
構件打印質量可以在下面的圖片中看到：
△圖片突出了高能量 DownSkin 方法的 DownSkin 質量。來源：EOS
后處理（磨料流加工，AM Metals）
磨料流加工是用于流相關應用和內部幾何形狀的常用表面精加工技術。研磨介質被推過固定在夾具中的零件。介質中的磨料顆粒沿流動路徑研磨和拋光表面。作為內表面精加工的準備工作，封閉的外徑需要加工成開放的，直徑和零件高度調整到用于 AFM 工藝的夾具。預加工后，零件被夾緊，研磨介質在夾具的幫助下被推過零件。在 AFM工藝之后，葉輪被加工成最終尺寸。
用磨料流加工 (AFM) 處理后的最終零件
△AFM 后葉輪俯視。來源：EOS
△AFM 后葉輪上表面的詳細圖。來源：EOS
△AFM 后葉輪下表面細節圖。來源：EOS
△加工后的葉輪底面。來源：EOS
來源;南極熊
