SLM金屬3D打印鏤空點陣結構成型缺陷及優化

供稿|李艷梅，向麗文，藍哲雯 / LI Yan-mei, XIANG Li-wen, LAN Zhe-wen

內容導讀

3D打印在精密鏤空結構成型領域具有顯著優勢，而鏤空結構在減重方面具有重要的工程意義。采用SLM金屬3D打印制作內部鏤空的立方體結構塊，當結構體底面結構為尺寸較小的點陣排列時，由于底面與基材接觸過小而導致結構坍塌。文章在分析打印失敗原因的基礎上，通過改進三維模型，增加其與基材的接觸面積，解決了結構坍塌的問題，使得鏤空點陣結構順利成型。文章中提出的優化策略對同類結構具有普適性。

金屬3D打印，又稱增材制造技術，采用激光束、電子束、等離子束等高密度能量束作為輸入源，通過逐層熔化、凝固金屬粉末，將數字化模型制造為實體零件的一種新型制造技術[1-2]。選區激光熔化技術(Selective Laser Melting，SLM)是金屬3D打印的重要分支，在強度、精度、致密性方面表現出色，其強度接近鍛件質量，尺寸精度達20～50 μm，表面粗糙度達20~30 μm，致密度接近100%，成為了增材制造體系中最具發展潛力的技術之一[3-4]。

相對于傳統“減材成型技術”而言，金屬打印技術在精密復雜結構零部件成型領域具有得天獨厚的優勢，比如多孔鏤空結構[5]。而鏤空結構在減重方面具有重要工程應用意義[6]。

實驗用的增材制造設備為BLT-S200型激光3D成型機，如圖1所示，設備最大成型尺寸100 mm×100 mm×200 mm，分層厚度20～60 μm，掃描振鏡重復定位精度≤ ± 0.005 mm。實驗采用316不銹鋼粉作為耗材，成型鏤空結構塊大小為20 mm×20 mm×20mm，三維數字結構如圖2所示。

模型建立和處理

本次成型，使用Magic建立三維模型，并對其進行修復；使用BP對模型進行分層、切片和前處理，分層厚度為40 μm。打印過程中，監控軟件為MCS。

由于該鏤空結構的空隙尺寸較小，對角線尺寸分別為: 1.710和1.199 mm，如圖3所示。 BLT-S200型激光3D成型機可打印最大尺寸小于5 mm的空隙，因此該結構體無需添加支撐即可。

打印缺陷分析及優化

首次打印過程中，打印至48層時，結構體發生坍塌，如圖4和圖5所示。

經過分析，發現鏤空結構的底面和基材接觸面積過小，使基材無法支撐零件，導致零件坍塌。

通過使用Magic對模型底面進行裁減，將模型與基材的點接觸優化為面接觸，通過增加零件底部基材的接觸面積來加固結構體，如圖6所示。裁減前底部和基材接觸的最小尺寸為1.5 mm，裁減后底面接觸面積約是裁減前的3倍，對比見圖7。優化后，鏤空結構塊得以順利成型，見圖8。

結束語

對于底面單元結構尺寸比較小的鏤空點陣結構，在不影響內部點陣排列結構的前提下，通過三維模型的底面點陣進行適當裁減，增大底面與基材的接觸面積，實現增加結構體與基材粘合力的目的，從而確保結構體順利成型。