金屬增材制造支撐添加研究與驗證

尚耀明，肖承翔，潘康華

（1.中國機械科學研究總院集團有限公司，北京 100044；2.中機生產力促進中心有限公司，北京 100044）

0 引言

增材制造（俗稱“3D打印”）是一種通過從無到有、逐層疊加方法使原料粘結在一起的制造技術[1]。近幾年增材制造技術迅猛發展，并在復雜功能和結構的零部件加工方面展現出了較大優勢，因此該技術被廣泛應用于工業、醫療、電子電路、模具等多個領域。其中，選區激光熔化（Selective Laser Melting，SLM）以其精度高、操作方便、可選擇材料種類多等優點被技術人員廣泛開發[2]。其原理簡圖如圖1所示。

圖1 基于SLM增材制造原理簡圖

在燒結成型過程中，當零件某一平面與加工平面角度比較大時，下層堆積的金屬粉末可以提供足夠的支撐強度，保證激光燒結的順利進行。但是當零件某一懸垂面與加工平面角度過小時，下方生成的工件不足以為當前激光燒結層提供足夠的支撐強度。熔池內部由于重力作用和毛細作用會向下塌陷使得零件表面的光潔度變差，并且邊緣部分會產生相應的翹曲變形。因此，如何合理添加支撐結構是亟需解決的關鍵問題。

目前有大量文獻的研究重點集中于支撐結構形狀、分布規律等。在支撐形狀方面，重點分析懸垂的幾何特征，然后設計相對應的支撐參數，生成支撐；在細胞結構支撐設計方面，盧等人基于沃羅諾伊圖算法提出了蜂窩細胞結構支撐理論。為了保證加工零件的結構強度，并使中間空腔部分的空間最大化以節省支撐材料，作者將這一結構進一步細化；在樹結構支撐設計方面，張等人提出了基于中軸樹的內部支撐框架模型。首先建立一根扎實的主干中軸，以此為基礎向四周發散，生成大量茂密且粗糙的樹葉來提供較高的輕度支撐，以此將主干中軸這附近空腔的支撐材料節省出來。以上研究針對支撐結構的理論做了深入分析，并取得對后續研究可以提供寶貴經驗的實驗成果。

但隨著技術的快速發展，目前支撐結構的自動添加方式已經非常成熟。增材制造最大的優勢就是自由度高，因此面對不同的零件、加工方式，其對應的支撐結構應靈活調節。此時軟件自動生成的支撐結構已經不能滿足我們對于生產工藝的要求，例如軟件生成的支撐的數量過多、結構太復雜，對加工材料和時間成本造成浪費。改善該問題需要對自動生成的支撐結構進行手動優化，將人們生產過程中積累的大量操作經驗進行吸收融合，對某一特定類型的結構給出相應的支撐優化方案，以提升生產加工效率，降低廢品率。

因此本文的研究重點為總結人工操作經驗對軟件生成的支撐結構進行優化，將人工操作經驗升華為理論研究。以此展開深入研究，積累固化工藝經驗。從實際出發優化增材制造過程中的支撐添加環節，減少設計返工和產品研制周期，為后續的金屬增材制造成型提供參考。

1 支撐設計理論研究

1.1 基于Magics軟件的支撐結構設計

Magics在處理三角面片數據方面規定了易于使用并且高效的標準。是目前增材制造領域內廣泛應用的自動化支撐添加工具。支撐生成是SLM增材制造工藝的核心。快速簡單地生成支撐結構在快速成型制造中同樣至關重要。最終零件質量取決于驗證和調整后生成的支撐結構。Magics可以在一個表面上提供多種支撐類型以及將這些不同支撐結構進行組合搭配。圖2為常用的幾種典型支撐結構。

圖2 支撐結構類型

1.2 結合人工經驗的支撐優化規律

根據打印零件的特征、加工設備的運行狀態，結合大量人工操作經驗對打印零件的擺放位置、特征結構等做出優化調整。根據經驗總結出以下支撐添加規律：

1）懸垂角度。通常懸垂角是指懸垂結構底面與基板的夾角。懸垂角α越小，懸垂結構越容易變形，所需要的支撐也越強。臨界懸垂角與材料、燒結參數、加工設備環境等都有關系。通常我們給出的建議值為45°。

圖3 不同懸垂角度無支撐自生長結果

2）工件的合理擺放。對于某些工件，通過合理擺放工件，可實現支撐的最少化。工件擺放以支撐盡可能少（尤其是表面質量要求較高的面）為原則。應盡量將較大的面貼近基板生長，避免不必要的支撐結構。原則上要求工件越往上面積越小。某些工件，減少支撐的工件擺放方式可能會使總的加工高度增加，加工時間會變大，則應綜合考慮。合理擺放如圖4中右側零件擺放所示。

圖4 不同擺放方向支撐示意圖

3）懸垂結構與刮刀移動方向保持一致。當雙方方向相反時，刮板逆向運動會因為摩擦力增大使零件發生翹起，該情況下即使懸空角大于臨界懸空角，也應設置支撐。因此，在條件允許的情況下，應保證懸垂結構與刮刀移動方向保持一致。合理擺放規則如圖5中最右側擺放方式。

圖5 懸垂結構生長方向與刮刀運行方向示意圖（右上角箭頭方向為刮刀運行方向）

1.3 支撐優化方案分析

第一步將具有復雜曲面的加工模型導入Magics軟件中添加所需的支撐；生成排包文件，然后將排包文件導入Simufact Additive仿真軟件，設置材料、參數，完成仿真分析[3]。得到零件的應力應變、變形云圖。分析仿真結果，結合支撐添加的操作經驗，執行優化方案設計。然后再次進行仿真分析，對比支撐優化后應力應變與變形是否在合理范圍內[3]。

圖6 支撐優化方案流程圖

2 仿真模擬

2.1 參數設置

根據上述方案對支撐進行優化，并進行仿真對比。在仿真軟件中，體素大小數值為0.5，立體像素采樣率設置為5，設置閾值縮放為1，層厚度值為50μm，零件應變閾值為5%[4]。實驗所用材料為316L不銹鋼，其具體參數性能如表1所示[4]。

表1 316L不銹鋼材料參數

2.2 仿真結果分析

1）自動添加支撐的零件變形分析

圖7為自動生成支撐的零件分析結果圖。打印過程中的應力應變隨著打印模型高度的升高而增大，從圖中可以看出，最大變形集中在曲面葉輪的外側邊緣部分與底座部分，此時最大變形量約為159.65μm，沒有發生明顯翹曲變形；高應力區域主要集中在底座部分，仿真過程中應力峰值約為381.57MPa。因此在保證曲面結構成型完整的前提下，可以適當對自動添加的支撐部分進行結構優化以降低時間和材料成本，提高生產效率和產品合格率。

圖7 自動生成支撐的零件分析結果圖

2）優化支撐方案的零件變形分析

圖8為優化支撐方案的零件分析結果圖。從圖中可以看出，零件的應力應變分布與自動生成支撐的分析結果基本一致。最大變形量約為176.50μm，峰值增幅為10.56%不會產生明顯的翹曲變形；高應力區域同樣集中在模型底座部分，應力峰值約為399.92MPa，峰值增幅為4.81%。

圖8 優化支撐方案的零件分析結果圖

分析可得，在零件支撐未去除時，優化支撐方案下基本不會使零件發生變形；優化支撐方案的支撐體積為599.910mm3，自動添加的支撐體積為1237.723mm3，相比較支撐體積減少了51.53%。這意味著可以減少加工材料的消耗，降低成本，減少后期處理支撐給零件帶來的影響，體現出優化方案的優勢。

將支撐去除，再次對兩種方案的零件變形量結果進行分析，優化方案的數值略高于自動生成方案，且都在零件的應力閾值范圍內。并且變形最嚴重的位置位于基底，對零件的關鍵功能影響不大。

3 實驗驗證

對手動添加支撐組進行零件打印試驗，驗證其理論的可行性。本試驗采用華曙FS121M型號金屬3D打印機，金屬粉末為316L不銹鋼。將模型與支撐導入軟件內完成加工參數設置，軟件根據參數對模型切片并生成掃描路徑，激光在振鏡的控制下按照路徑掃描金屬粉末，逐層燒結，最后得到三維實體如圖9所示[5]。

從圖9中可以看到，在只添加少量關鍵支撐后，零件的打印仍能順利進行，并未發生較大變形與塌陷。零件部分復雜曲面可在參數、支撐優化的控制下實現良好的無支撐打印，因此也驗證上述文中支撐優化理論的正確性與可行性，為未來生產制造積累經驗。

圖9 優化支撐后零件成型效果

4 結語

本文主要對采用選區激光熔化增材制造技術在打印金屬零件過程中出現的塌陷問題進行研究，分析金屬增材制造中支撐添加的基本規律。并通過仿真軟件對支撐優化前后的零件進行仿真。對比分析，并將優化后的支撐結構進行打印試驗驗證，驗證文中優化設計方案的正確性。通過執行優化設計方案，模型順利成型、無明顯塌陷、變形。在保證成型零件的成型精度的同時，還節省大量時間、材料成本，提高了產品合格率，為后續的金屬增材制造成型提供參考思路。