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武漢易成三維科技有限公司
湖北武漢經(jīng)開(kāi)萬(wàn)達(dá)廣場(chǎng)二期6棟4層A31
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金屬3D打印的綜合指南，涵蓋打印工藝，設(shè)計(jì)規(guī)格，材料選擇和技術(shù)限制。
金屬3D打印是一種迅速普及的制造工藝。如今，金屬增材制造零件是為大量工業(yè)部門(mén)（特別是航空航天和醫(yī)療應(yīng)用）而設(shè)計(jì)的，因?yàn)樗鼈兲峁┝藰O大的設(shè)計(jì)自由度，組件簡(jiǎn)化或整合，減少了供應(yīng)鏈以及按需定制或中批量零件生產(chǎn)。
本文將簡(jiǎn)要介紹金屬增材制造在技術(shù)和材料方面，并詳細(xì)說(shuō)明設(shè)計(jì)考慮因素、優(yōu)點(diǎn)和局限性。
直接金屬激光燒結(jié)（DMLS）和選擇性激光熔化（SLM）是粉末床融合技術(shù)，使用激光束逐層融合金屬粉末。層或切片是零件在特定高度處的橫截面幾何圖形，其中許多層表示整個(gè)零件。在暴露于激光之前，機(jī)器將應(yīng)用有限厚度的金屬粉末，該過(guò)程重復(fù)進(jìn)行，直到零件的所有層都暴露出來(lái)。當(dāng)激光熔化金屬粉末時(shí)，電流層也將熔化到一個(gè)或多個(gè)先前層。零件的尺寸和機(jī)器參數(shù)將影響構(gòu)建任何三維零件所需的時(shí)間。
在設(shè)計(jì)用于金屬打印的零件時(shí)，有許多設(shè)計(jì)建議，如果遵循這些建議，將有助于實(shí)現(xiàn)更好的零件質(zhì)量，表面光潔度和尺寸精度。其中許多設(shè)計(jì)指南都取決于材料和激光參數(shù)，但保持在幾何建議范圍內(nèi)將有助于確保零件按預(yù)期運(yùn)行。
設(shè)計(jì)金屬打印部件的一般準(zhǔn)則是：
| 特征 | 描述 |
|---|---|
| 壁厚 - 確保大多數(shù)材料成功進(jìn)行3D打印的最小壁厚為0.4mm。更精細(xì)的結(jié)構(gòu)是可能的，但取決于材料，方向和打印機(jī)參數(shù)。 | |
| 引腳直徑 - 最小可靠引腳直徑為 1mm?？梢詼p小直徑，但輪廓銳度會(huì)降低 | |
| 孔尺寸 - 直徑在 0.5mm 和 6mm 之間的孔可以在沒(méi)有支撐的情況下可靠地打印。支持自由構(gòu)建直徑在6mm和10mm之間的孔是方向相關(guān)的。直徑大于10mm的水平孔需要支撐結(jié)構(gòu)。 | |
| 防爆孔 - 在中空金屬部件上需要孔，以去除未熔化的粉末。建議鉆孔直徑為2-5 mm。使用多個(gè)逃生孔將大大提高除粉的難易程度。 | |
| 懸垂面 - 在大多數(shù)情況下，懸垂面上不需要支撐材料的最小角度相對(duì)于水平角為45o。通過(guò)優(yōu)化激光參數(shù)可以進(jìn)一步減小該角度。 | |
| 無(wú)支撐邊緣 - 懸臂式懸垂表面的最大長(zhǎng)度為 0.5 mm。兩端支撐的懸垂水平面可長(zhǎng) 1 mm。這些規(guī)則也適用于具有不支撐表面的浮雕和雕刻要素。 | |
| 縱橫比 - 垂直打印高度與零件截面之間的最大比率為 8：1，以確保印刷零件在構(gòu)建板上的穩(wěn)定性。 | |
| 公差 - 打印方向上的部件公差± 1 層厚度。在XY平面中，可實(shí)現(xiàn)的公差±0.127 mm |
由于金屬印刷過(guò)程中涉及的高溫以及零件結(jié)構(gòu)的逐層性質(zhì)，支撐結(jié)構(gòu)需要將不受支持的幾何形狀連接到構(gòu)建平臺(tái)并充當(dāng)熱能的散熱器。因此，在設(shè)計(jì)金屬印刷時(shí)，支撐是要考慮的重要因素。支持人員對(duì)通過(guò)金屬打印制造的零件執(zhí)行 2 個(gè)角色：
支持增加了構(gòu)建的額外成本（因?yàn)樗褂妙~外的材料），并且在打印完成后也必須刪除。與支撐接觸的表面總是需要某種形式的后處理，以實(shí)現(xiàn)與不需要支撐的零件相同的表面光潔度。
表面質(zhì)量
某些設(shè)計(jì)要求零件的一側(cè)具有光滑的表面（也稱(chēng)為表示側(cè)）。如果需要光滑的表面光潔度，通常需要進(jìn)行后處理。選擇零件方向時(shí)，可以采取一些步驟來(lái)提高打印的表面質(zhì)量。這些包括：
金屬印刷材料
下表列出了一些更常見(jiàn)的金屬印刷材料及其通常用于的應(yīng)用。
| 材料 | 描述 | 應(yīng)用 |
|---|---|---|
| 鋁 （鋁制10毫克） | 鑄造合金具有良好的強(qiáng)度和硬度。用于在要求低比重時(shí)機(jī)械和熱性能的良好組合。 | 航空航天和汽車(chē)生產(chǎn)零件 |
| 馬氏體時(shí)效鋼 （18 Mar 300 / 1.2709） | 馬氏體淬火鋼具有良好的韌性、拉伸強(qiáng)度和低翹曲性能。可輕松加工、淬火和焊接。高延展性使其易于成型，適用于不同的應(yīng)用。 | 用于批量生產(chǎn)和其他機(jī)械零件的注塑模具。 |
| 鈷鉻 （UNS R31538 / ASTM F75） | 高溫合金具有優(yōu)異的耐磨性和耐腐蝕性。在高溫下具有出色的機(jī)械性能。耐磨性、耐腐蝕性和生物相容性使其成為外科植入物和其他高磨損應(yīng)用的理想選擇。 | 航空航天和醫(yī)療（植入物）生產(chǎn)零件。 |
| 不銹鋼 （316L） | 奧氏體鉻鎳合金，具有高強(qiáng)度和耐磨性。良好的高溫強(qiáng)度、成形性和可焊性。用于其優(yōu)異的耐腐蝕性，包括點(diǎn)蝕和氯化物環(huán)境。 | 航空航天和醫(yī)療（外科工具）生產(chǎn)零件。 |
| 不銹鋼（15-5 PH） | 沉淀硬化不銹鋼，具有出色的強(qiáng)度、韌性和硬度。它結(jié)合了強(qiáng)度，可制造性，易于熱處理和耐腐蝕性，使其成為許多行業(yè)中使用的流行材料。 | 為各行各業(yè)生產(chǎn)零件。 |
| 不銹鋼（17-4 PH） | 沉淀硬化不銹鋼，具有出色的強(qiáng)度和疲勞性能。它結(jié)合了強(qiáng)度，可制造性，易于熱處理和耐腐蝕性，使其成為許多行業(yè)中常用的鋼材。17-4 PH不銹鋼含有鐵素體，而15-5不銹鋼不含鐵素體。 | 為各行各業(yè)生產(chǎn)零件。 |
| 鈦（Ti6Al4V / 5級(jí)） | 優(yōu)異的機(jī)械性能和耐腐蝕性，比重低。最常用的鈦合金以其優(yōu)異的強(qiáng)度重量比、可制造性和熱處理能力而著稱(chēng)。 | 航空航天和汽車(chē)（賽車(chē)）生產(chǎn)零件。 |
| 鈦金屬（Ti6Al4V / 23級(jí)） | 優(yōu)異的機(jī)械性能和耐腐蝕性，比重低。優(yōu)異的強(qiáng)度重量比、可制造性和生物相容性。改進(jìn)的延展性和疲勞強(qiáng)度使其廣泛用于醫(yī)療植入物。 | 醫(yī)療（植入物）生產(chǎn)零件。 |
| 鎳合金（鉻鎳鐵合金? 718 / UNS N07718） | 高溫合金，在高溫下具有優(yōu)異的屈服、拉伸和蠕變斷裂強(qiáng)度。用于極端環(huán)境中的高強(qiáng)度應(yīng)用。與其他鎳基高溫合金相比，具有優(yōu)異的可焊性。 | 航空航天（高溫渦輪機(jī)部件）生產(chǎn)零件。 |
| 鎳合金（鉻鎳鐵合金? 625 / UNS N06625） | 高溫合金在高溫下具有優(yōu)異的強(qiáng)度和韌性。高耐腐蝕性。用于極端環(huán)境中的高強(qiáng)度應(yīng)用。在氯化物環(huán)境中特別耐點(diǎn)蝕、縫隙腐蝕和應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。 | 航空航天（高溫渦輪機(jī)部件）生產(chǎn)零件。 |
| 鎳合金（UNS N06002 / 哈氏合金X） | 高溫合金具有高溫強(qiáng)度、可加工性和抗氧化性的特殊組合。用于極端環(huán)境中的高強(qiáng)度應(yīng)用。在石化環(huán)境中耐應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。優(yōu)異的成型和焊接特性。 | 在惡劣的熱條件和氧化風(fēng)險(xiǎn)下生產(chǎn)零件（工業(yè)爐中的燃燒室，燃燒器和支撐）。 |
工藝限制
成本
金屬增材制造機(jī)及其使用的材料的成本都非常高。因此，對(duì)于某些應(yīng)用，傳統(tǒng)的制造技術(shù)可能是最具成本效益的解決方案（金屬增材制造不適合生產(chǎn)許多通用墊圈/緊固件或通常制造的大型零件）。金屬AM的優(yōu)勢(shì)在于復(fù)雜的定制制造，其中需要高水平的定制，或者需要傳統(tǒng)制造技術(shù)無(wú)法生產(chǎn)的幾何形狀。為了保持成本效益，大多數(shù)金屬增材制造機(jī)器需要盡可能頻繁地生產(chǎn)零件，而空閑時(shí)間非常短。
增材制造設(shè)計(jì)
對(duì)金屬增材制造的最大誤解之一是，所有為傳統(tǒng)制造而設(shè)計(jì)的應(yīng)用都可以轉(zhuǎn)換為增材制造解決方案。如果一個(gè)零件最初是為傳統(tǒng)制造而設(shè)計(jì)的，那么由于多種原因，它更有可能不是3D打印的理想人選。如果一個(gè)簡(jiǎn)單的零件具有較大的零件尺寸與零件復(fù)雜度之比，那么制造時(shí)間相對(duì)較高，而沒(méi)有為AM設(shè)計(jì)的零件的附加值或改進(jìn)的功能。
產(chǎn)品尺寸
與傳統(tǒng)的制造構(gòu)建尺寸相比，即使是最大的金屬增材制造機(jī)器的構(gòu)建體積也很小。平均建模體積大小約為 250 mm x 250 mm x 300 mm （x × y × z）。
機(jī)器復(fù)雜性
金屬增材制造系統(tǒng)不像當(dāng)今市場(chǎng)上存在的許多聚合物系統(tǒng)那樣即插即用。大多數(shù)金屬增材制造機(jī)器都是工業(yè)尺寸的，需要嚴(yán)格的操作，材料處理，后處理和維護(hù)程序。
后處理
金屬印刷最常見(jiàn)的后處理方法是：
| 特征 | 設(shè)計(jì)規(guī)格 |
|---|---|
| 壁厚 | 最小寬度為 0.4 毫米。 |
| 針腳直徑 | 直徑大于 1.5 毫米。 |
| 孔尺寸 | 直徑在 0.5 毫米到 6 毫米之間，不帶支撐。直徑大于6毫米的直徑大多需要支撐。 |
| 逃生孔 | 直徑最小2-5毫米。 |
| 懸 | 對(duì)于不支持的表面，從水平方向大于 45°。 |
| 不支持的邊緣 | 最大0.5毫米。 |
| 縱橫比 | 8：1 構(gòu)建高度到截面寬度 |
| 公差 | ± Z 方向上的 1 層厚度?！?XY 平面 0.1 毫米。 |