金屬3D打印技術(shù)前沿：大水平面無(wú)支撐工藝探索

目前，不加支撐或最大程度減少支撐數(shù)量是金屬粉床燒結(jié)的熱門話題。在這次研究中，為了提高項(xiàng)目的難度，我們選擇了最具挑戰(zhàn)性的實(shí)驗(yàn)：采用高應(yīng)力材料 Ti64，硬質(zhì)刮刀和大水平面。因此，用于此實(shí)驗(yàn)的方法可以輕松轉(zhuǎn)移到其他常見的材料中。

打印后清理干凈的工作平臺(tái)

Magics 下的視圖（無(wú)支撐的 EOS Logo）

 支撐

優(yōu)化支撐設(shè)計(jì)時(shí)，需要分析考慮其用途。選區(qū)激光時(shí)需要支撐的三個(gè)主要原因是：

• 抵抗刮刀的作用力
• 應(yīng)對(duì)殘余應(yīng)力
• 導(dǎo)熱作用

對(duì)于特定的支撐區(qū)域，可以優(yōu)化支撐的數(shù)量。對(duì)于刮刀的影響，可以選擇較軟的刮刀材料，調(diào)整零件的擺放角度或工藝優(yōu)化。本次實(shí)驗(yàn)，我們使用高速鋼刮刀來(lái)模擬最具挑戰(zhàn)性的情況。

借助平臺(tái)預(yù)熱和掃描策略等措施可以減少熱應(yīng)力。在我們的研究中，水平表面放在壁厚為1 mm的圓柱體上，以防止其彎曲。 這樣薄壁幾何形狀的圓柱通常會(huì)有局部過(guò)熱的現(xiàn)象，因此對(duì)于該圓柱，我們也優(yōu)化了掃描策略，即去除了輪廓掃描并將曝光方式從條帶改為時(shí)間優(yōu)化的掃描方式。

但是導(dǎo)熱的問(wèn)題仍然存在。由于圓盤直接在松散的粉末上打印，與固體材料相比，粉末的導(dǎo)熱性更差。粉末導(dǎo)熱率低的原因是粉末顆粒的間隙中存在氣體以及顆粒之間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)接觸。這就是為什么通常將支撐放在表面下方以增加熱傳遞的原因。為了克服這一挑戰(zhàn)，能量輸入需要適應(yīng)周圍材料的導(dǎo)熱性。因此需要在零件的高度上采用逐漸改變參數(shù)的策略。

參數(shù)開發(fā)基于 EOS Ti64 Speed（60μm）過(guò)程，試驗(yàn)在 EOS M 290 上進(jìn)行，使用 EOSTATE ExposureOT 和 EOSTATE MeltPool 監(jiān)測(cè)。

為了高效的測(cè)試，在不同高度生成了 36 個(gè)圓柱體（每六個(gè)樣本一組）。根據(jù)下面的流程，每行將用于確定一個(gè)特定層的參數(shù)。這意味著A行中的圓柱體包含一個(gè)高度為一層的圓盤。監(jiān)控套件用于收集更多信息并為每一層開發(fā)正確的參數(shù)。

第一層完成后，將在 EOSPRINT 2 中調(diào)整參數(shù)，并更新作業(yè)。下一步是優(yōu)化第二層的工藝參數(shù)，這在第 B 行完成。

這些圓柱包含兩個(gè)圓盤，每個(gè)圓盤的高度為一層。之后繼續(xù)開發(fā)到第 F 行的第六層之后，我們跳回到 A 行并繼續(xù)七個(gè)圓盤。在這樣的測(cè)試中，每層使用單個(gè)圓盤更容易，可以在Magics中輕松復(fù)制和調(diào)整它們。對(duì)于最后一部分，目標(biāo)是僅使用一個(gè) STL 在 EOSPRINT 2 中借助 Z 向分割生成各個(gè)層。

下表面參數(shù)優(yōu)化的流程

不同高度的圓盤

A 到 F 組圓盤測(cè)試

遵循這一流程，當(dāng)從 EOSTATE ExposureOT 監(jiān)測(cè)中獲取到某一層有正常的傳熱信號(hào)后。從下一層開始使用 EOS Ti64 標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)。

EOSTATE ExposureOT 監(jiān)控的數(shù)據(jù)

EOSTATE ExposureOT 監(jiān)控的數(shù)據(jù)

支撐優(yōu)化

目標(biāo)是盡可能容易地從圓柱上中取下測(cè)試零件。在第一個(gè)圓盤下方引入一個(gè)弱點(diǎn)。用支撐代替三層圓柱，這些支撐件可以在 Z 方向上容易地調(diào)節(jié)強(qiáng)度。這可以通過(guò)諸如激光功率和掃描速度之類的工藝參數(shù)或齒頂長(zhǎng)度等 Magics 參數(shù)來(lái)完成。在易于移除和足夠的強(qiáng)度之間找到合適的方案，以在熱處理之前承受殘余應(yīng)力。

支撐優(yōu)化方案

EOSPRINT 2 界面內(nèi)部支撐視圖

調(diào)整支撐強(qiáng)度后，可以很容易地從圓柱體上移除 EOS Logo。

取下零件的基板

 Z 向切割

DoE 是針對(duì)每個(gè) STL 數(shù)據(jù)單獨(dú)設(shè)置參數(shù)，這對(duì)于更復(fù)雜的部件來(lái)說(shuō)不太方便，因?yàn)樗枰罅康氖謩?dòng)工作。EOSPRINT 2 附帶了一個(gè)簡(jiǎn)潔的工具，稱為 Z 向切割。借助此功能，可以將一個(gè)部件劃分為不同的部分，并且可以將特定參數(shù)應(yīng)用于每個(gè)區(qū)域。將這些部件分成 60μm 的段，以便將優(yōu)化的參數(shù)應(yīng)用于每一層。

Z 向切割 EOSPRINT 2 中的工藝參數(shù)分配

零件

• EOS Logo，每個(gè)字母的直徑為 50 mm
• 直徑 100 毫米，面積接近 8000 平方毫米的圓盤
• 圓盤直徑 50 毫米，中心孔 20 毫米。孔的邊緣沒有連接。

EOSTATE ExposureOT監(jiān)視圓盤前四層的數(shù)據(jù)。可以清楚地看到第一張照片中的圓盤下方?jīng)]有固體材料或支撐。

EOSTATE ExposureOT監(jiān)控的數(shù)據(jù)

外徑50毫米，沒有內(nèi)部支撐

100 毫米直徑等于近 8000 平方毫米

下表面

下表面的外觀也是一個(gè)重要的問(wèn)題。當(dāng)然，表面粗糙度會(huì)增加，您可以在下圖中看到常規(guī) DownSkin 表面狀態(tài)。更多的實(shí)驗(yàn)樣本還在處理中，將在以后發(fā)布。

EOS Logo 的 DownSkin

本研究成功展示了大水平表面無(wú)支撐參數(shù)優(yōu)化的方法。但是，這種方法仍然存在挑戰(zhàn)。參數(shù)必須適應(yīng)尺寸和幾何形狀以及大的水平表面，這在當(dāng)前的增材制造中不是很常見的特征。此項(xiàng)目的目標(biāo)是展示針對(duì)特定挑戰(zhàn)量身定制流程的能力。這可以作為一種靈感，不斷推動(dòng)您在增材知道的應(yīng)用界限。