SLM快速成型中的支撐結構設計研究*

曹冉冉，李 強，錢 波

(北方工業大學機械與材料工程學院，北京 100041)

0 引言

快速成型是20世紀80年代興起并得到迅速發展的新概念制造技術，不同于傳統去除材料的機械加工方法?？焖俪尚驮谠霾纳L基本理念的基礎上，根據CAD模型快速生產出零件，其集成有CAD模型技術、數控技術、激光技術、材料科學等，逐漸成為一種新型先進制造技術［1］。大致可分為以下幾大快速成型工藝:光固化快速成型(SLA)、選擇性激光燒結(SLS)、分層實體成型(LOM)、熔融沉積成型(FDM)和選擇性激光熔融成型(SLM)［2］。其中基于選擇性激光熔融成型的制造特點，在零件關鍵部位合理地添加支撐直接決定零件能否連續成長、以及成型件的精度和性能。因此在選擇性激光熔融成型中對具有懸垂或曲面傾斜度過大的零件，進行支撐結構的必要性、合理性研究對于快速成型的科學應用提供重要的參考依據。

目前，對于支撐工藝的研究大量集中在對支撐的生成算法研究或總體規則設定上［3］，在零件的實際制造過程中，使用工藝軟件添加的支撐結構往往并不合理，不能直接將其生成的模型運用到零件加工中，針對一種常用材料在優化后的參數下進行了關于支撐結構的研究，得出支撐結構參數之間的關系公式，對支撐結構的設計起到一定的指導作用。

1 支撐結構

選擇性激光熔融成型過程中，支撐的主要作用體現在:①承接下一層未成型粉末層，防止激光掃描到過厚的金屬粉末層，發生塌陷;②由于成型過程中粉末受熱熔化冷卻后，內部存在收縮應力，導致零件發生翹曲等，支撐結構連接已成型部分與未成形部分，可有效抑制這種收縮，能使成型件保持應力平衡。對于無支撐的豎直向上生長的零件，比如柱狀體，粉末在已成型面上均勻分布，此時其下方已成型部分的作用相當于一種實體支撐;對于有傾斜曲面的零件，比如懸臂結構，此時若無支撐結構，成型失敗主要體現在:①由于有很厚的金屬粉末，粉末不能完全融化，熔池內部向下塌陷，邊緣部分會上翹;②在進行下一層粉末的鋪粉過程中，刮刀與邊緣部位摩擦，由于下方沒有固定連接，該部分會隨刮刀移動和翻轉，無法為下一層制造提供基礎，成型過程被破壞。添加支撐能有效防止此類現象發生。

綜上所述，在選擇性激光熔融成型中，支撐結構作用為:

(1)承接下一層粉末層，保證粉末完全融化，防止出現塌陷。

(2)抑制成型過程中由于受熱及冷卻產生的應力收縮，保持成型件的應力平衡。

(3)連接上方新成型部分，將其固定，防止其發生移動或翻轉［4］。

實際的運用中具體的體現如下:

圖1為根據具體零件的曲面造型設計的支撐結構圖，由圖1可看出是否添加支撐以及添加支撐的結構的優劣直接決定了零件能否完整成型;其中圖1(a)為未添加支撐導致零件制作失敗的模型及失敗零件，從圖明顯看出零件邊緣有缺失，這是因為零件邊緣發生嚴重翹曲，使得刮刀進行下一層鋪粉時與零件已成型部分發生碰撞，導致曲面制作失敗;圖1(b)為添加合理支撐結構的模型及成功零件，可看到模型添加合理的支撐后，設備能夠很流暢的制作出零件，零件特征滿足精度要求;圖1(c)為添加支撐結構不合理導致零件成型失敗，可看出不合理的支撐，成型過程中支撐生長的不飽滿，不同部位的支撐發生凸起或塌陷，導致支撐體無法繼續生長;圖1(d)為優化支撐結后的模型及成功制件，可以看出正確合理的支撐結構能夠滿足制造有復雜曲面的零件的要求。由此可見，合理的支撐結構對于零件制造的重要性。

圖1 支撐結構運用的實物圖

2 支撐結構參數

在不同的零件的選擇性激光熔融成型中需要添加不同的支撐結構，具體需求由曲面產生的傾斜度α決定［5］，α相關的結構參數有:支撐分布密度ρ;支撐當量半徑r;支撐半徑補償r'。

(1)圖2(a)為傾斜角示意圖，如圖所示:傾斜度α為三角形切片的法線方向與豎直向上z軸方向間的夾角的余角，α角是決定是否添加支撐的決定性參數，α角越大，需要添加的支撐越多，支撐分布的越密集，支撐機構設計時存在一個α角的極限值αmax，即傾斜角度大于極限值時曲面需要添加支撐。

(2)圖2(b)為分布密度示意圖，如圖所示，分布密度ρ為投影到水平面上的單位面積s0內支撐體的個數，分布密度越大，越有利于成型過程的進行，但過大的分布密度也會導致支撐難以去除。

(3)圖2(c)為支撐當量半徑示意圖，如圖所示，支撐當量半徑r是以支撐體橫截面的面積做圓對應的半徑，當量半徑越大，支撐體的強度越高，越有利于支撐體的生長，但當量半徑過大時，支撐體與零件間的連接強度過高，去除支撐時成本過大;同時當量半徑過小時，出于一些不可控的環境因素，支撐體的成型會有微小的翹曲或塌陷，由于設備采用刮刀式鋪粉機構，刮刀與強度不高的支撐體輕微摩擦經過累積后會導致支撐體成型的參差不齊，最終無法起到支撐的作用，這點在圖2(a)中表現尤其突出，因此設計支撐結構時應合理選擇當量半徑。

(4)圖2(d)為支撐半徑補償示意圖，如圖所示，支撐半徑補償r'是指支撐體與零件輪廓要保持一定的間隙，避免支撐體與零件生長到一體，易于支撐的后期處理，其取值與處理方法有直接聯系。

圖2 支撐結構參數示意圖

3 采用SLM工藝成型實驗方法

采用SLM工藝針對一系列不同參數的曲面零件進行成型實驗，實驗采用課題組自主研制開發的DYLM－200激光金屬成型設備(采用500 W激光發射器、抽真空沖氦氣保護、三軸送粉及回收裝置、循環水冷卻系統、運動控制單元)，原材料統一采用不銹鋼316粉末，顆粒直徑為0.038 mm。事先確定好幾組有明顯特征的參數模型，經過經驗嘗試，獲得最優的工藝參數，最終結合實驗結果分析參數之間關系，如圖3。

4 實驗參數的設計與實驗結果與分析

4.1 實驗參數的設計

采用SLM工藝，設計了一系列具有不同結構的零件模型，零件有不同高度、直徑、傾斜角度，針對不同的結構探求是否需要添加支撐以及適合的支撐結構參數，并在多次經驗試驗的情況下篩取最優的工藝參數。由于實驗目的是探索不同傾斜角度下最優的支撐結構參數，需要先確定零件的最大傾斜角，筆者針對旋轉體零件探討，計算方法如下:以三線螺旋為例，其角度計算示意圖如圖4。

圖3 DYLM－200激光金屬成型設備

圖4 傾斜角α的計算原理圖

將半徑為r處的螺旋線剪開，伸展開后L即為螺旋線投影到水平面的弧長，h為螺旋線高度，用此方法將傾斜角α的計算從空間轉換到平面，不難得出:

由于本實驗中多選用旋轉件，對于其他旋轉結構，通過投影方法得到式(2)同樣適用，需要注意的是L不代表半徑終端從起點到終點的距離，也不是起點與終點連線投影到水平面得到的線段，而是曲線投影到底平面的弧長。

選取不同結構的零件，確定尺寸，用以上方法求得不同模型的最大傾斜角，并根據零件的尺寸及傾斜角設計適合的支撐結構，表1給出了實驗模型的結構參數。

表1 零件及支撐結構參數

確定好模型結構參數后，需制定具體的加工工藝，選用不銹鋼316粉末作為實驗材料，由于其良好的吸收熱量及傳導熱量的特性，決定了激光輸入功率不能過大，同時由于零件壁厚、傾斜角、懸垂長度的不同，需要給每個零件設定不同的工藝參數，而且在支撐體與零件實體結合處需要實時調整參數，表2給出經過多次嘗試得出的良好工藝參數。

表2 加工工藝參數

4.2 實驗結果的分析

采用上述實驗參數進行實驗，得到實驗結果，成功成型的零件從基板上切除后，測量其外觀尺寸與輸入CAD模型相差小于0.02 mm，完全達到工業使用要求，圖5～8實驗模型及對應的成型結果。

圖5 渦輪模型及成型圖

圖6 凸臺模型及成型圖

圖7 三線螺旋模型及成型圖

圖8 葉輪模型及成型圖

分析圖中結果，圖5(a)支撐結構當量半徑為0.06 mm，且為了便于去除支撐，在支撐根部及頂部附近開有細腰口，分布密度設置較小，這幾者導致成型到細腰口時支撐體斷開，無法連續成型，形成圖5(b)失敗件，圖5(c)對支撐結構進行了優化，當量半徑改為0.08 mm，在接近邊緣的下表面分布密度加大，結果成功成型。圖6(a)雖然支撐結構合理，但由于傾斜角過大，盡管最后勉強成型，但在圖6(b)中可看到凸臺懸垂面有明顯的翹曲，如果零件按比例擴大尺寸，使用這種方法可能無法成型，可見對于傾斜角度過大的零件，需要找尋其他辦法成型。圖7中添加了合理的支撐結構，結果得到了理想的成型效果。圖8中葉輪模型葉片邊角處傾斜角大于極限值，需要添加支撐，過渡到上方后傾斜角變小，無需再添加支撐。圖8中合理的在關鍵部位添加了支撐，取得良好的效果。

由以上分析可看出，是否添加支撐很大程度上取決于零件的傾斜角度，同時支撐的結構參數決定了最終能否成功成型，為了實際工作中的成型需要，將這些參數整理到經驗公式如下:

式中:φ(α)是α的函數，通過對具有不同傾斜角的零件模型進行實驗計算獲得φ(α)值，得出φ(α)的經驗值表，此公式可用于指導合理的設計支撐結構。

5 結論

(1)傾斜角α是決定是否添加支撐以及確定支撐結構參數的重要因素。

(2)提出并定義了支撐結構與傾斜角關聯的幾個結構參數:支撐當量半徑r、分布密度ρ、半徑補償r'，并推導了傾斜角的計算公式。

(3)提出支撐結構參數與傾斜角的經驗公式，對實際工作中設計合理的支撐結構提供理論依據。

［1］ 許開國，張錦光，胡業發.熔融擠壓快速成型中支撐工藝的研究［J］.機械科學與技術，2008(9):1163 －1164.

［2］ 尚曉峰，劉偉軍，王 維，等.金屬粉末激光成形零件傾斜極限［J］.機械工程學報，2007(8):97 －98.

［3］ 錢 波，莫建華，張李超.光固化快速成形中網形支撐生成算法的研究［J］.新技術新工藝，2005(2):122.

［4］ 洪 軍，李滌塵，唐一平，等.快速成型中的支撐結構設計策略研究［J］.西安交通大學學報，2009(9):59－60.