合金3D列印-involves锻造结构设计手册（上）

粉末状床熔化合金3D列印控制技术为构筑具备民主自由花纹和繁杂特点的配件提供更多了很大的分量，可间接依照CAD统计数据锻造半成品，无须采用生产成本昂贵的研磨辅助工具。若以现代形式来锻造那些结构设计繁杂的配件，则变得十分毫无意义，即使显然不可能将顺利完成。involves锻造控制技术锻造的配件常常轻巧、更高效率且能更快地充分发挥组织工作操控性。

不过，这并并非说此种稳定操控性让他们自如地结构设计任何人想的花纹，最少在生产成本的束缚下，他们也不可能将努力做到这一点儿。

在这点，合金3D列印研究者爱尔兰雷尼绍归纳了一连串的involves锻造结构设计手册，在此，3D自然科学谷将分成三期与真田广之撷取，责任编辑为下半部份。

与任何人锻造工艺一样，involves锻造控制技术也有自己的优势和局限性。例如，对于采用激光粉末状床熔化控制技术制作的配件，如果结构设计有悬伸部份 — 也就是具备要在未熔粉末状的顶部进行熔化研磨的位置 — 则可能将需要结构设计一次性支撑才能顺利顺利完成研磨。那些支撑会增加研磨时间、消耗更多材料，而且还需要额外的后处理来进行移除。

功能经过优化的配件

图片中配件功能虽经优化但并并非为用于involves锻造 (AM) 而结构设计的配件可能将需要大量支撑，导致它们的锻造效率偏低。

来源雷尼绍

下面他们开始介绍能提高involves锻造研磨的成功率及生产效率的诸多关键因素，并解释了结构设计师在开发高效率的生产配件时应遵循的一些重要指导原则。

因素1：残留应力

残留应力是快速加热和冷却的必然产物，这是激光粉末状床熔化工艺的固有特性。每一个新的研磨层都是通过如下形式构筑的：在粉末状床上移动聚焦激光，熔化粉末状顶层并将其与下方的一个研磨层熔合。热熔池中的热量会传递至下方的固体合金，这样熔化的合金就会冷却并凝固。这一过程十分迅速，大约只有几微秒。

新的合金层在下层合金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。

图 ： 激光在固体基体的顶部熔化合金形成新的焊道（左）。激光沿着扫描矢量移动并熔化粉末状，随后通过将热量传递至下方的固体合金，熔化后的粉末状开始冷却。凝固后，冷却合金收缩，该合金层与下一层之间就会形成剪切力（右）。来源雷尼绍

残留应力具备破坏性。当他们在一个研磨层顶部增加另一个研磨层时，应力随之形成并累积，这可能将导致配件变形，其边缘卷起，之后可能将会脱离支撑：

来源雷尼绍

来源雷尼绍

那些效应在具备较大横截面的配件中最为明显，因为此类配件常常具备较长的焊道，而且剪切力作用的距离更长。

--尽可能将减小残留应力

解决这一问题的手段之一是改变他们的扫描策略，选择一个最适合配件几何花纹的方法。当他们用激光轨迹填充配件中心时，通常会来回移动激光，这一过程称之为“扫描”。他们所选择的模式会影响扫描矢量的长度，因此也会影响可能将在配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

-顺利完成每层扫描后旋转67°

-研磨效率较高

-残留应力逐渐增加

-适合小、薄特点

条纹扫描模式

-残留应力均匀分布

-适合大型配件

-研磨效率高于棋盘扫描模式

棋盘扫描模式

-每层分成若干个5×5 mm的岛状区域

顺利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

适合大型配件

他们也可以在从一个研磨层移至下一个研磨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，以确保在研磨完许多层后扫描方向才会完全重复。

加热研磨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。

—“ 残留应力结构设计建议”—

- 尽可能将通过结构设计消除残留应力

- 避免大面积不间断熔化

- 注意横截面的变化

- 混合研磨将较厚的底板整合到involves锻造配件中

- 在应力可能将较高的位置采用较厚的研磨托盘

- 选择一种合适的扫描策略

在任何人叠层锻造工艺中，研磨方向始终限定在Z轴 — 即垂直于研磨托盘。请注意，研磨方向并非始终都是通用方向。应当选择合适的方向，以便采用最少的支撑材料或不采用支撑材料来生产最稳定的研磨件。

--悬伸部份和熔化过程

在粉末状床研磨工艺中，由于花纹是一层层构筑起来的，因此层与层之间的关联形式十分重要。当每一层熔化时，它需要下面的一层来提供更多物理支撑和散热路径。

如果配件具备悬伸部份，那么熔池下方区域最少有一部份会是未熔粉末状。那些粉末状的导热性远远低于固体合金，因此来自熔池的热量会保留更长时间，导致周围更多粉末状烧结。结果可能将是，多余材料附着在悬伸区域的底面，这意味着悬伸结构可能将呈现出畸形和粗糙的表面。

图：在固体合金上方熔化粉末状能快速冷却（左）。当粉末状熔化过程发生在悬伸区域时，由于其下方是未熔粉末状，因此需要更长时间冷却，而多余的材料可能将会附着在配件的底面。来源雷尼绍

--摆放方向选择

一般来说，与研磨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。此种效果是熔池冷却速度减慢导致悬伸结构下方的粉末状局部烧结所致。

通常能在多个方向上顺利完成一个配件的研磨。他们应选择可实现最理想的配件自身支撑的摆放方向，以便尽可能将降低研磨生产成本并减少后期处理组织工作。

图：一个配件通常可沿多个方向顺利完成研磨，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组织工作量。从左起：

- 大悬臂，需要大量的支撑材料（显示为蓝色）

- 倾斜45度 — 除了一个局部最低点外，大部份采用配件自身支撑（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 — 研磨时间缩短，但后期需要对支撑面进行精研磨

紧密附着在粉末状床上，留出适合电火花 (EDM) 移除的毛坯余量 — 残留应力可能将是个问题

- 与前一种形式相似，但附着区域较少，减少了应力累积 — 从锻造角度来看，这可能将是最高效率的结构设计

- 最后一种方法（未显示）是将配件平放在托盘上。这可以降低研磨高度，但也会限制可在研磨托盘上摆放的配件数量，并且容易形成更大的残留应力。（来源雷尼绍）

最好是在配件结构设计过程的前期便采用研磨文件处理软件评估各个摆放方向，以确定最有效的形式。一旦做好决定，便可以在此基础上继续进行详细结构设计。

--局部最低点

局部最低点是配件上未与下方粉末状熔化层连接的任何人区域。那些区域在研磨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研磨，当刮刀处理下一层时可能将会造成第一个研磨层发生位移，导致研磨失败。

来源雷尼绍

局部最低点可能将会十分明显，如上例所示。它们也可能将出现在与配件边缘相交的横孔和斜孔的顶部（如下例所示）。

特点摆放方向

如前所述，下表层的表面光洁度一般较差。如果他们要生产具备最佳精度的细节特点，那么最好将那些特点定位在配件的顶面，也就是上表层。嵌入下表层的细节特点很有可能将会损失精度。

另一个要考虑的问题是配件相对于加粉刮刀的摆放方向。当添加一层新的粉末状时，刮刀会在粉末状床上铺开粉末状，粉末状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状床上形成压力波。该压力波会与朝向刮刀方向倾斜的配件表面相互作用，向下挤压粉末状并向上挤压配件的前边缘。这可能将会使配件钩到刮刀上，导致研磨失败。请注意，柔性刮刀可以降低此种影响。

图 ：加粉刮刀和配件斜边的相互作用。来源雷尼绍

支撑和斜边的摆放应尽可能将远离刮刀方向。通过旋转配件，压力波现在能以倾斜的角度冲击配件，因此降低了配件变形的可能将性。

如果无法通过旋转调整位置，或配件是旋转对称的，则可能将需要添加支撑，而受影响的研磨面可能将需要进行后期处理。

—“ 摆放结构设计建议”—

- 结构设计用于involves锻造的配件的研磨摆放方向应明显

- 结构设计师应尽量创建自身支撑结构设计

- 研磨成功是首要考量

- 残留应力和表面光洁度也是受摆放方向影响的重要因素

- 摆放方向可影响研磨时间和生产成本

- 结构设计师必须评估冲突因素以确定摆放方向

(责任编辑：admin)