Case Study l 3D打印需要注意的支撑结构与应力

在每个产品建模的过程中，你就需要考虑增材制造过程，你需要一个精明的策略去扬长避短。...

“ 设计在为选择性激光融化技术建模过程中，需要考虑的关键因素包括支撑结构的设计，以及如何设计来避免激光加工过程中热应力带来的变形问题。

本期，3D科学谷带您通过案例来体会：增材制造策略－从设计开始。”

从支撑结构到自支撑结构

通常，在选择性激光融化过程中，支撑结构的构建是必要的，有几方面原因：一方面是支撑结构加强和支持零件与构建平台的稳定性；其二是支撑结构带走零件构建过程中多余的热量；其三是支撑结构可以防止零件翘曲以及减少零件构建过程中的失败几率。

的确，似乎没人喜欢支撑结构，不但影响生产的产量和成本。这些额外的支撑结构还增加构建时间，构建成本以及后期处理时间和后期处理的复杂性。

这就带来了支撑结构的优化问题，要尽量减少和避免支撑结构的使用，就需要对所生产的零件的几何形状和它的构建局限性有着充分的了解。

下面，通过雷尼绍啤酒开瓶器的设计案例来领会如何消除支撑结构的需要。开瓶器原先的流线型设计图如左（下），通过优化其力学结构，获得右（下）的结构，新的结构看似更更复杂，然而具有极佳的力学性能，但同时设计师需要知道的是，橙色的部分在SLM激光融化过程中需要额外的支撑材料，如灰色线条所表示。

图片来源：雷尼绍

在这种情况下，可以考虑增加自支撑结构，既不影响美观，又不影响力学性能。经过再次尝试，这一次增加了一些额外的结构，以减少所需的额外支撑结构－如左（下）。在右（下）图中，我们看到原来需要支撑的部分通过自支撑实现了优化。现在，这个设计只需要一个极小的支撑将开瓶器与基台连接起来。

图片来源：雷尼绍

残余应力和变形

增材制造基本上是一个焊接过程，虽然激光束斑直径比与传统的焊接小，所以能量密度高。这可能会导致大的横截面或在不同的横截面区域的应力。这种应力会导致翘曲，在极端情况下，会使零件从支架上被“拔”起来，带来裂缝的发生。如果无法避免厚结构的构建，最明智的选择是通过一个较厚的构建板抵抗这些弯曲力量。

图片来源：雷尼绍

在一般情况下，需要避免通过增材制造来制造非常厚的结构，特别是钛合金材料，因为钛合金的熔融温度和残余应力会很高。在可能的情况下，壁应该薄并且一致，这样不同区域中的应力不会导致其他区域发生变形。如果必须出现整块的结构，可疑考虑用晶格来填充这些块，以减少应力，并且节约重量，材料成本和构建时间。