魔猴網金屬3D打印設計規范

魔猴君  行業資訊   2657天前

      有媒體形容2016年是金屬3D打印的元年，倒不是因為金屬3D打印是新生事物，而是金屬3D打印開始進入主流生產的視線，標志性事件就是通用一擲千金收購的Concept Laser和Acram，投入3D打印行業；國內做金屬設備、金屬粉末的更是一窩蜂一般，一個接一個，令人目接不暇。當然還有一個重要的因素就是金屬3D打印的價格在下降，性能在提升，市場接受度在增加。未來金屬打印必將成為3D打印的主流，特別是SLM技術的成熟，金屬打印件的成型強度、性能不亞于鍛件，而金屬打印所能達到的境界卻不是傳統制造所能達到的。

關于魔猴網

      魔猴網是國內最大的互聯網3D打印服務商，是連接用戶和設計師的平臺，擁有自營3D打印機300多臺，分布在北京、安徽、浙江、湖北和廣東，2016年打印物品超過50萬件，提供從3D掃描、3D設計到后處理的一站式，全套3D數字化制造服務，覆蓋包括金屬、塑料、樹脂等30多種打印材料。

圖 金屬3D打印加工服務中心

      隨著魔猴網客戶打印金屬的需求越來越多，魔猴網感覺急需普及金屬3D打印如何設計——大眾對于金屬3D打印還存在著這樣或者那樣的誤解，而廠家也有意無意夸大工藝能力。魔猴網也希望能通過自己的一些努力，能對大家的設計實踐工作有一定幫助，推動金屬3D打印在中國的發展。

      首先明確一點，在談金屬3D打印生產的時候，不是替代生產已有部件，這是大眾最常見的誤解之一，生產已有的部件，可以說絕大多數情況金屬3D打印不占優勢；不管是機加工，鑄造，鈑金和焊接，傳統的工藝都非常成熟，可以由傳統工藝乘除的傳統部件，無論成本還是效率，金屬3D打印不占優勢。當然了，如果只是想做個原型，金屬3D打印也還是有應用的，好處是快，而且可以用跟最終產品一致的材料，這是金屬3D打印的比較傳統應用，我們更多想談談為金屬3D打印生產的設計；

      那么為什么要用金屬3d打印生產？這就需要了解金屬3D打印設計了，金屬3D打印就是通過金屬3D打印設計來達到綜合成本降低的目的。通過金屬3D打印要達到四大目的：1.減少零件的個數；2減輕重量；3.減少裝配；4.制作高復雜零件，通過這“三減一高”來達到降低綜合成本的目的；

      舉例來講，通用航空在網上發起了一個金屬3D打印設計大賽，原有飛機上一個零件重2033g (如圖所示)，面向公眾征集3D打印設計，要求能滿足強度和裝配要求，越輕越好，最輕者獲勝；比賽吸引了大量網友的參與，3D打印最大的一個好處就是它所謂賦予的設計自由度，圖4所展示的所有的設計都滿足了原有的約束條件，都能滿足安裝和強度要求，還大幅減輕了重量，最后的獲勝者是圖5， 327g，幾乎是原來重量的十分之一，確切的講是是原來重量的16%！這對于“寸重寸金”的航空業來說，無疑是一次革命；每一個減少1706g重量，相當于每年減少幾十萬的燃料費，減少上萬噸的碳排放；這就是3D打印的綜合成本，不是單單制造成本，而是考慮綜合的效應，這對于減重需求強烈的航空業非常明顯，優勢巨大。不僅是航空業，金屬3D打印所能做的隨行冷卻模具，也有類似的綜合成本優勢，有機會魔猴在展開了給大家講一下。

      談完了重要的基本原則和目標，我們來聊一些干貨，都是金屬3D打印設計所急需的一些知識，希望能給大家在設計過程中以啟迪，這些參數可能和廠家給的并不一致，多數都是實踐中得到，比方說壁厚，廠家如果說能用0.2，但實踐中0.2可能并不穩定。另外圖中所涉及到的數字，可能和不同種類的3d打印機有一定關系，不同的設備，數值有可能不一樣，但可以說基本上不會相差太大；

      首先第一點，金屬3D打印和其他3D打印一樣，都要求3D數字文件滿足實體性、水密性等等基本要求，魔猴網在之前已經有了總結，不太了解的同學可以移步到3D打印設計規范，看看3D打印的基礎設計規范。

      再來聊一下金屬3D打印的具體要求：

      1.最小細節特征

      最小細節特征不小于0.15mm,也就是說小于0.15mm的特征、細節，有可能會被忽略，表現不出來。比方說一個0.1的卡槽，盡管最小光斑可以小于0.15mm，由于細節是有特征的，特征有可能被忽略；

      2.最小壁厚

      最小壁厚可以達到0.2mm,但建議不要小于0.5mm, 最小壁厚還跟物品的結構，還跟物品的高度和壁厚的比值有關，一般來講這個比值不要超過40，超過40就有可能發生走形的情況；

      3.表面光潔度

      表面的粗糙程度，光滑程度和三個因素有關：（1）打印材料；（2）建造參數；（3）零件擺放方向；

     下面列表總結了幾種常見3D打印材料，在不同的打印情況下，表面粗糙度的情況，設備，形狀，擺放等等，都對表面有影響，總體來說垂直比傾斜表面好，傾斜上表面好于下表面。

      4.支持結構

      江湖一直有個傳說，使用粉末3D打印技術不需要支撐，這可能對SLS塑料是成立的，但對于金屬3D打印，支撐是需要的，而且很多時候還是必要的；金屬3D打印的支撐的主要作用有：（1）與打印平臺連接；（2）保住零件的形狀；（3）防止翹邊；

      因此，金屬3D打印有可能產生大量支撐結構，這就造成了兩個問題，一個就是額外的費用，這里有個“秘密”，魔猴網在線報價涉及到支撐都是給的最低價格，有很多甚至直接免費沒有算支撐，對于金屬3D打印，這對魔猴網來說是比較吃虧，對廣大用戶確是利好，這也許就是傳說中的“老板瘋了”；第二個就是額外的工序，主要是指去支撐，有時候支撐去的讓人懷疑人生，這畢竟是金屬支撐，不是塑料支撐，打磨也是痛苦。那怎么辦？就這么忍受嗎？其實不應該，應該發揮3D打印所能帶來的設計自由度，設計出來支撐很少，性能更好的部件，舉例來說，下面一個零件，傳統的結構，如果要直接打印，產生支撐是非常多的，重新設計之后（右），基本上不需要支撐，強度更高，是用蜂窩狀結構，重量還減少。

      支撐產生的角度不同的設備和材料可能不一樣，多數情況下，單靠粉末來支撐傾斜角是不夠的。

如圖所示小于30度，基本上不加支撐就不能看了。

      5.懸空

      橫截面上面一層比上一層大，就產生了懸空。金屬3D打印對懸空的容忍度是比較低的，大于0.5 mm的懸空就會產生問題。

      內孔一般有自支撐結構，一般情況對打印影響不大，這對于生產隨性冷卻模具是非常有利的。但是，如果孔徑太大，也會產生問題。如圖所示，一般孔徑小于8mm，都可以達到自支撐的效果，大于8mm，會產生懸空的問題。

       6.橋接結構

      橋接結構所允許的距離大約是2mm，還是比較小的。

      7.內應力-翹曲

      內應力是金屬3D打印所必須要面對的一個問題，當打印物品的橫截面變化很大的時候容易產生比較大的內應力，另外大面積平整表面，也會產生很強的內應力，這種內應力非常大，可以把打印基座拉變形，甚至切斷螺栓。這需要我們在設計的時候，避免橫截面突然由較小變到交大，要逐步過渡；另外避免使用大面積平整平面，換個思路想一下，如果需要一塊比較平整的平面，為啥要用3D打印呢？

      8.其他設計技巧

      金屬3D打印非常適合打印網格狀的結構，這些網格狀的結構，很適合做內支撐，既能減重，強度還能保留；

      要考慮打印完畢后支撐的去取和粉末的去除，要留出支撐和粉末去除的入口，不能打完了支撐被永久封到了內部。

      最后，給大家一個3D打印金屬設計的真是示例，大家可以體驗一下。

      第一版設計：就是原始零件的設計圖， 需要三個部件來組裝，更要命的是產生的支撐太多！

      第二版設計：零件整合，變為兩個零件，但是支撐還是令人絕望，需要的時間和生產效率都太低。

      第三版設計：三個零件最終變為一個零件，不再需要裝備，而且，新的結構幾乎不需要支撐，最后表面成型質量還最好，而且也很好的考慮了可能產出的翹起，這樣打印，幾乎不可能產生翹起！

      總結來說，金屬3D打印開啟了全新的設計選項，解放了設計的自由度，讓更多的設計可能變為了現實。但是，金屬3D打印不會取代傳統的制造方式，各有所長，互為補充。

      了解金屬3D打印的規范，才能最大程度得到金屬3D打印的好處，希望能幫助到需要金屬3D打印的朋友們，這也是魔猴網的一點小心意。

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來源：中國3D打印網