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如何设计金属3D打印零件

金属3D打印的综合指南，涵盖打印工艺，设计规格，材料选择和技术限制。

介绍

金属3D打印是一种迅速普及的制造工艺。如今，金属增材制造零件是为大量工业部门（特别是航空航天和医疗应用）而设计的，因为它们提供了极大的设计自由度，组件简化或整合，减少了供应链以及按需定制或中批量零件生产。

本文将简要介绍金属增材制造在技术和材料方面，并详细说明设计考虑因素、优点和局限性。

金属印刷工艺

直接金属激光烧结（DMLS）和选择性激光熔化（SLM）是粉末床融合技术，使用激光束逐层融合金属粉末。层或切片是零件在特定高度处的横截面几何图形，其中许多层表示整个零件。在暴露于激光之前，机器将应用有限厚度的金属粉末，该过程重复进行，直到零件的所有层都暴露出来。当激光熔化金属粉末时，电流层也将熔化到一个或多个先前层。零件的尺寸和机器参数将影响构建任何三维零件所需的时间。

金属印刷设计

在设计用于金属打印的零件时，有许多设计建议，如果遵循这些建议，将有助于实现更好的零件质量，表面光洁度和尺寸精度。其中许多设计指南都取决于材料和激光参数，但保持在几何建议范围内将有助于确保零件按预期运行。

金属印刷设计

设计金属打印部件的一般准则是：

支撑材料

由于金属印刷过程中涉及的高温以及零件结构的逐层性质，支撑结构需要将不受支持的几何形状连接到构建平台并充当热能的散热器。因此，在设计金属印刷时，支撑是要考虑的重要因素。支持人员对通过金属打印制造的零件执行 2 个角色：

1. 金属印刷在非常高的温度下熔化或烧结粉末层。正因为如此，每一层都需要一些“固体”的东西来构建，而不仅仅是像SLS工艺那样的松散粉末。为了实现这一点，对于未连接到构建板的截面，首先打印支撑结构，然后打印在这些构件之上的实体截面。
   
2. 差分冷却产生的残余应力意味着金属打印的每一层都想要卷曲和扭曲。增加支撑有助于将热量从最近打印的部分吸收出去，并将它们固定在坚固的底座上。
   

支持增加了构建的额外成本（因为它使用额外的材料），并且在打印完成后也必须删除。与支撑接触的表面总是需要某种形式的后处理，以实现与不需要支撑的零件相同的表面光洁度。
表面质量
某些设计要求零件的一侧具有光滑的表面（也称为表示侧）。如果需要光滑的表面光洁度，通常需要进行后处理。选择零件方向时，可以采取一些步骤来提高打印的表面质量。这些包括：

• 零件的朝上曲面将比向下朝向曲面具有更锋利的边缘和更好的曲面质量。向下面面相对于水平面的比角度大于，向下面面质量越好。
  
• 根据层厚度的不同，在倾斜的表面上可能会发生可见的“阶梯”效果。通常，为避免在表面上踩踏，平面的角度应相对于水平方向大于 20º。
  
  

金属印刷材料
下表列出了一些更常见的金属印刷材料及其通常用于的应用。

工艺限制
成本
金属增材制造机及其使用的材料的成本都非常高。因此，对于某些应用，传统的制造技术可能是最具成本效益的解决方案（金属增材制造不适合生产许多通用垫圈/紧固件或通常制造的大型零件）。金属AM的优势在于复杂的定制制造，其中需要高水平的定制，或者需要传统制造技术无法生产的几何形状。为了保持成本效益，大多数金属增材制造机器需要尽可能频繁地生产零件，而空闲时间非常短。
增材制造设计
对金属增材制造的最大误解之一是，所有为传统制造而设计的应用都可以转换为增材制造解决方案。如果一个零件最初是为传统制造而设计的，那么由于多种原因，它更有可能不是3D打印的理想人选。如果一个简单的零件具有较大的零件尺寸与零件复杂度之比，那么制造时间相对较高，而没有为AM设计的零件的附加值或改进的功能。
产品尺寸
与传统的制造构建尺寸相比，即使是最大的金属增材制造机器的构建体积也很小。平均建模体积大小约为 250 mm x 250 mm x 300 mm （x × y × z）。
机器复杂性
金属增材制造系统不像当今市场上存在的许多聚合物系统那样即插即用。大多数金属增材制造机器都是工业尺寸的，需要严格的操作，材料处理，后处理和维护程序。

后处理
金属印刷最常见的后处理方法是：

• 热处理
  
• 支持删除
  
• 加工
  
• 表面处理
• 经验法则
• 支撑是金属印刷工艺的关键部分，应优化几何形状、位置和用量，以节省时间和成本。
  
• 在设计阶段应考虑零件方向。向上的表面将具有更锋利的边缘和更好的表面光洁度。
  
  

• 用于设计金属印刷零件特征：