3D打印設(shè)計指南：選擇性激光燒結(jié)技術(shù) (SLS) 應(yīng)用和設(shè)計技巧

魔猴君  知識堂   707天前

選擇性激光燒結(jié) (SLS) 3D打印技術(shù)可實現(xiàn)卓越的品質(zhì)和 生產(chǎn)力，同時為注塑成型無法實現(xiàn)的高性能設(shè)計打開了大 門。SLS 增材制造還省去了注塑成型模具的漫長交付時間 和前期投資。如果從三個方面衡量成品部件：質(zhì)量、上市時 間和每立方英寸的成本，在許多情況下，工業(yè) SLS 都能提供更好的總價值主張。

本指南包含在設(shè)計為采用 SLS 技術(shù)構(gòu)建時如何確保成功構(gòu)建更優(yōu)質(zhì)部件的具體詳細(xì)信息，如軸、構(gòu)架、復(fù)雜管道、活動鉸鏈、夾扣及其他部件。

一、軸

摩擦、擬合和粉末清除是SLS制造軸設(shè)計方面的三個因素。在靜態(tài)側(cè)(組件的“非應(yīng)力”側(cè))應(yīng)用1至2mm導(dǎo)軌來控制摩擦。導(dǎo)軌與軸管之間的間隙保持在0.3mm。若在離導(dǎo)軌較遠的區(qū)域留出2mm以上的間隙，則可通過在靜態(tài)側(cè)的除粉入口吹入壓縮空氣，來輕松徹底地清除粉末。

在去除粉末時，一邊旋轉(zhuǎn)軸一邊吹入壓縮空氣，將粉末吹出軸腔。作為一種天然軸承材料，尼龍可為低負(fù)載、低速應(yīng)用提供一個順暢的低摩擦機構(gòu)。在摩擦可能產(chǎn)生熱量和導(dǎo)致磨損的更加苛刻的應(yīng)用中，可以考慮嵌入式軸承。

二、擋板 - 氣流管理

如需將安裝點穿過擋板，將擋板拉長并形成空氣動力學(xué)的淚滴形狀，可以減少湍流形成的位置。這樣可以提高氣流效率并降低噪音。

始終將擋板設(shè)計為緩和的圓角，以防管道的側(cè)壁裂開，尤其是在組件的應(yīng)用環(huán)境為壓力環(huán)境和/或溫度循環(huán)環(huán)境的情況下。

三、嵌入式軸承

在此示例中，我們介紹將陶瓷球軸承裝入凹槽(CAD 建模為 A、B 面之 間的一個環(huán)形腔體) 內(nèi)。可以將它看作一個集成混合鉸鏈機構(gòu)。

尼龍是一種天然良好的低摩擦承載材料。但是，在您期望能夠長期重 復(fù)循環(huán)承載的應(yīng)用中，將使用 CAD 建模的已經(jīng)就位的球軸承換成陶 瓷球軸承(通過檢修孔安裝)，可以得到一個非常耐用、順滑的機構(gòu)。

將所有軸承都裝入凹槽后，可固定一個插銷來密封凹槽。

四、條形碼

阿茲特克條碼適合使用SLS進行制造。單元格的體積大小可小于1立方毫米。請注意，條形碼的凸起面必須使用對比色墨水，以便在掃描儀掃描時能夠或便于捕捉圖像。

五、波紋管

當(dāng)應(yīng)用的組裝或聯(lián)結(jié)操作要求一定的靈活性時，可使用SLS技術(shù)來制造功能性“波紋管”。但請注意，尼龍在需要重復(fù)循環(huán)的應(yīng)用情形中性能不佳，如機構(gòu)中的電線和軟管保護套。因此，應(yīng)只考慮將尼龍用于應(yīng)用中循環(huán)彎曲頻率極低的波紋管。

當(dāng)抗拉應(yīng)力點沿橫截面均勻分布時，圓形波紋管的效果最佳。在從圓形部位過渡到方形波紋管時，從圓形部位處的任何下移都會累積應(yīng)力。在這種情況下，則可能必須采用不同的方法：對“Deardorff波紋管”使用類似的結(jié)構(gòu)物，本質(zhì)上來說，這一結(jié)構(gòu)物是一系列交替交叉連接的矩形。請注意，由于角落的半徑較小，此幾何形狀對應(yīng)力集中更為敏感，因此在循環(huán)受到應(yīng)力時易斷裂。

六、盲板凸臺

盲孔對于高效清除粉末而言是一大挑戰(zhàn)。此處提供的解決方案就是讓這些盲孔不再難以應(yīng)對。只需在凸臺的底座上鉆一個直徑大于2mm的小孔，以便讓噴砂材料排出。

無需拔模，但若為自攻塑料螺釘，在設(shè)計與齒嚙合的表面時最好遵循常規(guī)設(shè)計原則。

七、按鍵

有多種不同方法可以設(shè)計集成按鈕。在按鈕與按鈕露出的槽或孔之間留至少0.3mm的間隙，以防它們?nèi)墼谝黄稹Ｓ捎谀猃垺皬椈善币鬃冃蔚缴晕⑾聣旱奈恢茫虼诉€應(yīng)該使用CAD對按鈕進行建模，使按鈕高于最終所需位置。例如，如果您希望按鈕與表面齊平并按此對其進行建模，則會發(fā)現(xiàn)在重復(fù)按壓多次之后，按鈕便會低于表面。

至于彈簧片，其變形程度取決于彈簧的密度及長度和厚度。如下所示的頂部下方按鈕是稱為“雙穩(wěn)態(tài)”開關(guān)的彈簧片的一種形式。在此類情況中，按鈕會抵抗，然后慢慢進入變形位置，有時會發(fā)出一聲咔嗒聲。

八、構(gòu)架

SLS制造技術(shù)極其適用于制造許多復(fù)雜的小型塑料部件，例如電氣接頭和夾片。可以考

慮在CAD設(shè)計時，使用盒子圍住這些小部件，以防止它們在發(fā)生故障和后處理期間丟

失。1.0mm的方形條搭配5mm以上的開口，可允許噴砂介質(zhì)在構(gòu)架內(nèi)批量清潔部件。

在需要額外進行后處理的應(yīng)用中，例如針對手術(shù)用途進行滅菌，批量部件可在構(gòu)架內(nèi)過

渡到不同流程。若要移除部件，可以考慮使用CAD建模設(shè)計應(yīng)用于脫模區(qū)域的多個鉸

鏈門，或者如本示例，將蓋子與可使用電線剪鉗剪斷的四個角桿連接起來。

另一個選擇是使用連接桿，這樣也可以達到在某些玩具套件上使用注塑成型澆口所實

現(xiàn)的相似批量分組效果。

九、鏈

與鏈甲一樣，設(shè)計采用SLS技術(shù)進行制造的鏈條會非常有趣。它也是一種非常古老的幾何形狀，提供了大量創(chuàng)造新穎有趣的形狀的機會。

最早的鏈條是對鐵條進行錘擊/鑄造，使其彎曲形成互相連接的環(huán)。采用SLS技術(shù)來制造鏈條，鏈條設(shè)計的唯一局限是您的想象力。您甚至可以制造自行車鏈條：只需在外殼與鏈條之間留0.3mm的間隙。

十、基本鏈甲

對于基本鏈甲，保持環(huán)的厚度大于0.75mm，環(huán)與環(huán)之間的間隙大于0.5mm。對于較大的基本鏈甲，可以考慮將環(huán)設(shè)計為在兩個軸向上都具有多邊形橫截面。這樣做可以縮小文件大小并加快設(shè)計過程。

在大規(guī)模復(fù)制鏈條之前，先花點時間對鏈中的單個環(huán)進行優(yōu)化。可以考慮用多邊形替代圓形取代，來加快對環(huán)的復(fù)制和CAD操作。

您可以像折疊布料一樣折疊您的設(shè)計，以減少設(shè)計部件的體積。必須特別注意避免環(huán)疊加。

至于邊界框效率，可以考慮折疊和/或疊縮大片的環(huán)陣列，以減少設(shè)計所占用的空間。

十一、復(fù)雜鏈甲-莫比烏斯彈性體

在設(shè)計復(fù)雜工程織物或鏈甲時，您的創(chuàng)造力是唯一局限因素。在本示例中，一個具有三面的莫比烏斯環(huán)不僅構(gòu)成了一個有趣的結(jié)構(gòu)物，而且形成了一個有彈性的環(huán)網(wǎng)，當(dāng)中每個環(huán)都可以在各個方向拉伸。

可以考慮轉(zhuǎn)化成板甲或鎖子甲的鏈甲，其中環(huán)會在允許不透明和靈活性的控制區(qū)中逐漸變厚。

在每個環(huán)中加入長釘，結(jié)合可實現(xiàn)快速解扣和扣緊的鉤子，使一些趣味十足的織物被新穎運用到時尚行業(yè)中的應(yīng)用中。

十二、螺旋彈簧

關(guān)于螺旋彈簧，需要考慮的最重要的特點之一是，要在彈簧與其他物體相連部位運用大量圓角。尤其應(yīng)該特別注意尖銳的尖端。

與所有材料一樣，循環(huán)施加載荷時，可能很快開始出現(xiàn)裂縫。與彈簧片一樣，螺旋彈簧的最終穩(wěn)定位置會經(jīng)過幾次循環(huán)壓縮和伸長之后才變得明顯。

十三、復(fù)雜管道 - 織帶

通過使用 SLS 技術(shù)來制造小批量的非結(jié)構(gòu)性管道，例如用于航天和性能賽車的 ECS 管道，可以設(shè)計經(jīng)高度優(yōu)化的非常復(fù)雜的整體成型結(jié)構(gòu)物。您不僅可以設(shè)計不同的壁厚，還可以通過應(yīng)用結(jié)構(gòu)經(jīng)過優(yōu)化的表面織帶來提高強度重量比。如在傳統(tǒng)制造技術(shù)基礎(chǔ)上應(yīng)用此細(xì)節(jié)，則成本較為昂貴。而運用 SLS 則不會因復(fù)雜性產(chǎn)生額外成本。

可以考慮運用 CAD 對鏈條穿過管道建模。完成之后，快速拉動此鏈條穿過管道可以為噴砂介質(zhì)清理一條順暢的通道，以在管道中具有良好清潔速度。

十四、槽型密封圈

制造“負(fù)拔模”的功能提供了一種有趣的固定柔軟彈性產(chǎn)品(如橡膠墊圈)的方法。您可能

需要根據(jù)墊圈的具體硬度進行一些實驗。通常情況下，最低寬度小于墊圈在未壓縮狀態(tài)

下直徑10%的密封槽就可以容納和保持住墊圈。

注意，這一原則也適用于其他彈性組件的固定，例如密封墊和按鈕陣列。

十五、粘膠線

要實現(xiàn)無空隙的密封連接，可以通過連接交叉點處 的 CAD 建模輸入/輸出端口，將兩部分熱固性環(huán)氧 樹脂真空抽吸(而不是推) 到徑向通道中。對于必須保證密封的復(fù)雜連接情形而言，這是一個不錯的方法。

一旦固定好之后，便無法在不破壞實體部件的情況  下將它們分離。始終將膠水真空吸入通道中。不要注 射環(huán)氧樹脂，因為其可能會流向阻力最小的路徑，并 可能無法完全填充連接區(qū)域周圍的路徑。右側(cè)的橫截面展示了膠水(黑色) 正通過檢修孔被吸 入徑向腔體。

十六、格柵

六邊形特別針對 SLS 技術(shù)而優(yōu)化，不僅僅因為它們可從根本上管理應(yīng)力和蜂巢效率，也由于只需非常少的三角形(12 個) 即可以準(zhǔn)確表達六邊形。

如果使用圓形構(gòu)成網(wǎng)格孔，預(yù)計文件大小會顯著增大。

雖然相對于實心非網(wǎng)格部分而言，可能降低了最終部件的重量，但是由于激光現(xiàn)在要繪制輪廓并填充眾多橫截面特征，因此增加了清潔時間和系統(tǒng)的繪制時間。

與空心部件一樣，未使用的粉末量與用于再循環(huán)的額外材料并沒有非常大的關(guān)系。這是由于與部件的熱暴露接近。事實上，由于需要額外繪圖時間，制造網(wǎng)格部件的成本高于制造實心部件的成本。

十七、集成鉸鏈

旋轉(zhuǎn)梯形錐體中的球體對集成鉸鏈有很大作用，其提供良好穩(wěn)定性、精度、低摩擦和高屈服強度。在嵌入球體和鉸鏈套之間留出最低0.2mm 的間隙。

在其他地方留 0.3mm 以上的間隙。您還將需要繼續(xù)使鉸鏈套沖出側(cè)邊。這對鉸鏈不會有影響，但能夠使得更加快速、完全地清除粉

十八、子母合頁

當(dāng)涉及到公差的影響時，此機械的功能與質(zhì)量之間的平衡便發(fā)揮作用。若間隙太小，合頁機構(gòu)會焊接在一起，而間隙太大的話，合頁機構(gòu)會松動且不可靠。

要解決這一問題，一種方法是使用將鉸鏈旋轉(zhuǎn)到齊平位置的形式。在構(gòu)建過程中，合頁為脫離狀態(tài)下時，公差可以為大于1mm的大公差，當(dāng)公差為大約0.05mm時，合頁在旋轉(zhuǎn)的接合功能范圍內(nèi)會產(chǎn)生齊平、緊密且穩(wěn)定的相互作用。

十九、活動鉸鏈

活動鉸鏈對于SLS而言更為新穎，并且在涉及到鉸接時，通常不是理想的解決方案。這里要問的問題是：為什么要在能夠設(shè)計和構(gòu)建集成鉸鏈的情況下構(gòu)建活動鉸鏈？

常規(guī)活動鉸鏈的設(shè)計和優(yōu)化均針對熱塑塑料注塑成型材料和工藝。

對于SLS，請盡量避開活動鉸鏈，因為SLS尼龍不具有注塑成型熱塑塑料所具有的撓曲特性。這是由于工藝的分辨率—3D打印鉸鏈必須比設(shè)計用于模塑的鉸鏈更厚—以及尼龍在處于循環(huán)變形條件下時表現(xiàn)出更優(yōu)性能的傾向。在具有一次性折疊使用情況的應(yīng)用中，活動鉸鏈非常有用，并且能夠?qū)⒔M件連接在一起。

至于構(gòu)建方向，盡量避免采用會與鉸鏈的拉伸表面重合的階梯式步驟。此外，可以考慮在彎曲尼龍之前將其浸入到沸水中10分鐘進行增韌(退火)。

二十、針對安裝的設(shè)計

一個拉長的連接安裝點能夠讓您看到您所見較長部分上出現(xiàn)熱塑性變化。每 100mm 以最低 5mm 的拉長率拉長適配孔。

二十一、晶格結(jié)構(gòu)

晶格結(jié)構(gòu)和其他設(shè)計為多孔的材料可使設(shè)計師僅將材料放到特定應(yīng)用所需的位置。從機械工程角度來開，多孔材料所具有的一個關(guān)鍵優(yōu)勢是，其具有高強度但質(zhì)量卻相對較低。

這些材料具有良好能量吸收特性以及良好的隔熱和隔音特性。多孔材料包括泡沫、蜂巢、晶格和類似結(jié)構(gòu)。

人工構(gòu)建晶格結(jié)構(gòu)過程會很繁瑣，因此設(shè)計師可能希望創(chuàng)建一個宏或程序來自動執(zhí)行某些步驟，或者使用實現(xiàn)構(gòu)建過程自動化的專用軟件包。

SLS機器能夠制造直徑小至接近0.5mm的晶格柱。

二十二、夾扣

有許多可進行 SLS 構(gòu)建的成功塑料夾扣設(shè)計。與注塑成型相比，SLS 構(gòu)建方式降低了設(shè)計復(fù)雜性方面的局限，從而實現(xiàn)了復(fù)雜得多的夾緊、卡扣、固定和脫口釋放系統(tǒng)。

在此示例中，“擠壓脫扣”按鈕機構(gòu)使兩個抓臂圍繞一個扭力梁支點旋轉(zhuǎn)。請注意，需大量使用圓角來防止斷裂，以及夾緊齒的變形閉合位置來抵消初始循環(huán)蠕變的影響。

與所有經(jīng)歷循環(huán)變形的梁一樣，您需要考慮塑料在進入最終穩(wěn)定位置之前會經(jīng)歷的初始蠕變，這一點對于開展適用于采用SLS 構(gòu)建方式的設(shè)計至關(guān)重要。

與活動鉸鏈和彈簧片一樣，可以考慮浸入沸水中 10 分鐘來提高塑料的韌性和記憶。

二十三、標(biāo)簽

通過鏈條或犧牲性連接桿連接的吊牌是標(biāo)記SLS部件的常用方法。3D Sprint?軟件可實現(xiàn)以STL文件名自動標(biāo)記部件。此方法在大規(guī)模定制制造應(yīng)用中尤為有用。盡量將所有厚度保持在1mm以上。

請注意，在圖解中，對于連接到“吊牌”連接器，桿與部件之間的連接處位于凹陷的圓角凹槽中。這樣可減少對部件機械完整性的影響。此外，還需注意此用例中的卡扣點，連接桿模制有一個V形缺口。如果希望輕松控制拆卸吊牌而采用鏈條連接時，也可以采用與此相同的方法。

將V形缺口設(shè)置在凹陷的凹槽內(nèi)，在拆卸吊牌后不會留下任何會影響裝配的痕跡。

二十四、箱罐

采用SLS尼龍材料正確燒結(jié)的罐(密度大于0.98g/cc，壁厚大于1mm)能夠在壓力下儲存液體和氣體。對于腐蝕性溶劑和燃料，可以考慮使用Imprex進行滲透。通常，罐內(nèi)的部件濾餅由幾何形狀進行固定限制并會接觸額外熱量，會變得非常致密并需要額外人工才能完全拆卸下來。

就風(fēng)管而言，考慮采用嵌套工具，并提供粉末清除輔助工具。在這種情況下，同時結(jié)合使用桿和鏈條來切割材料濾餅，并將其從內(nèi)部角落里拉出來。

通常情況下，鏈條/連桿直徑大于2mm就足夠了。您也可以在與空氣管路相連的空心圓錐體內(nèi)模制一個桿。拆下此連桿后，您就能夠從下方吹出壓縮空氣。

二十五、設(shè)計撕裂口

采用在幾何形狀上物理設(shè)計一個缺口這一傳統(tǒng)方法可以實現(xiàn)受控撕裂或斷裂。

但是，利用SLS制造方法，您也可以有選擇性地控制產(chǎn)品上特定區(qū)域的密度。

可以將希望其為低密度的區(qū)域使用CAD建模為單獨的STL文件外殼，來實現(xiàn)此目的。當(dāng)部件作為組件放置在機器上時，注意不要通過嵌套來分離外殼。

在機器上，減少對您希望降低密度的外殼的激光照射量。這樣便可以選擇性地制造低密度區(qū)域，因此對斷裂的靈敏度更高。

請注意，接受較少致密化處理的材料的收縮率更小。密度較低區(qū)域會比較敏感，并且比周圍密度較高區(qū)域更加不透明。

二十六、螺紋

由于 SLS 的表面處理相對粗糙，摩擦有時可能會干擾螺紋機構(gòu)。

在此示例中，外螺紋被替換為“半球形”，與組件反面的凹槽對齊。

通過采用這種方法，大大降低了摩擦，同時提高了“配合屈服”。

配合屈服是指兩個部件均受到相同工藝變化。SLS 對工藝變化非常敏感。

例如，當(dāng)激光束偏移不正確時，正面就會較大，反面較小，從而導(dǎo)致加大干擾。

此示例是一個典型示例，展示了螺紋不受傳統(tǒng)設(shè)計方法束縛，并從所需的機構(gòu)功能目標(biāo)中獲得啟發(fā)