开始与金属增材制造
了解金属增材制造复杂、耐用、轻便的金属部件
当第一次直接金属激光烧结(DMLS)机器进入生产车间时，制造业中的一些人认为传统加工的终结即将到来。毕竟，用金属粉末填充机器，加载CAD文件，几个小时后，一个闪亮的新零件就出来了，这是一件多么酷的事情啊?一个商店怎么可能与一台机器竞争呢?它几乎不产生浪费，没有切割工具，而且它的设置就像按一个按钮一样简单。
事实证明，DMLS的现实与那些早期的假设略有不同。这里没有像《星际迷航》(Star Trek)那样的复制机，而是一种对传统机械加工的补充。DMLS直接从CAD模型中生产全密度金属零件，通常具有精度和表面光洁度，可以直接投入使用。最重要的是，如果您有一个高度复杂的部件，不可能加工，DMLS可能是答案。
与其他基于激光的增材制造工艺一样，DMLS是自下而上制造零件的。它使用镱激光将微小的金属粉末颗粒熔化并融合成几乎任何可以想象的形状，只要它适合一个大约微波炉大小的建造室。
什么是金属增材制造及其工作原理?
假设您刚刚将零件设计的3D CAD模型上传到protolabs.com。它可以是任何东西，从下一个最伟大的渔船螺旋桨到一辆印地赛车的进气口。Protolabs的3D打印技术人员可以通过几个相对较快的步骤，将电子梦想变成现实:
- CAD模型被数字切割成纸薄层，并设计任何所需的支撑结构，以帮助激光烧结过程。然后将文件上传到我们的一台DMLS机器上。
- 粉末床填充了五种高强度合金中的一种:铝、不锈钢、钛、钴铬或铬镍铁合金。然后选择一层薄薄的材料分布在整个构建平台上。
- 随着构建开始，高功率激光开始工作，绘制一批零件的底层，以及构建过程所需的任何临时支撑结构。
- 橡胶刮擦器在零件上刮另一层薄薄的金属粉末，然后重复激光过程。
- 一旦完成，几乎完成的部分从构建室中移除。构建支持被移除，然后可以根据客户需求对部件进行进一步处理。
这就是DMLS。与其他增材制造工艺一样，零件质量非常依赖于合理的制造策略。对于初学者来说，DMLS需要支持结构，以便在构建部件时将功能固定在适当的位置。没有它们，平坦的区域可能会卷曲——t形会变成Y形，餐盘会变成派盘。在大多数情况下，Protolabs客户可以将支撑放置留给DMLS专家，但应该明白，在构建过程中，不受支撑的表面确实容易弯曲，并且需要进行二次后处理，以锯、磨或机器去除这些支撑。
金属增材零件的公差和表面光洁度
零件公差是另一个设计考虑。高分辨率DMLS的层厚为0.0008英寸。(0.02mm)，可以生产非常精确的零件，公差为+/- 0.003 in。(0.076毫米)，部分功能小至0.006英寸。(0.152mm)，表面光洁度与砂型铸件相似。如果您需要更光滑的表面处理，Protolabs提供了许多精加工操作，包括喷砂，手工抛光和喷漆。
对于那些担心激光烧结零件的冶金性能的人来说，不必担心。DMLS使用激光能量来熔化单个金属颗粒。光束的每一束都与前一束重叠，并重新熔化直接在下面的金属层，将金属合并成均匀的质量，其密度是传统成型材料的99%。
通过一次“绘制”一层来创建复杂的内部特征的能力为以前不可能的零件设计打开了大门。使用DMLS可以大大简化复杂结构和多部件装配。例如，GE航空公司通过使用DMLS技术，将喷油器组件的零件数量从18个减少到1个，并预计到2020年将以这种方式生产超过10万个激光烧结零件。随着合金种类的多样化，DMLS在航空航天、医疗和消费行业的应用越来越广泛——从骨科植入物和手术工具到燃气轮机和排气部件，今天都在生产原型和量产。这里的信息是，那些了解如何利用金属激光烧结技术的人可以轻松制造高度复杂的金属零件，同时减少总体材料清单(BOM)。
这种理解部分来自于对DMLS工作原理的了解。因为零件是分层建造的，所以所谓的“阶梯”会出现在有角度的表面上——例如，金字塔形零件的侧面会比立方体的表面粗糙。Protolabs将尝试定向部分构建，以尽量减少这种影响，但重要的是要指出任何关键的表面或特征，当提交你的部分设计，所以这些可以放置在水平构建平面。应该尽可能避免过厚的部分，因为这会增加建造时间并增加内部材料应力。如果需要非常紧密的公差孔或特征，则设计应包括后续扩孔或二次加工所需的额外材料。与往常一样，如果出现任何问题，建议与Protolabs的应用工程师进行对话。
请记住，DMLS不一定是一种更快、更简单的加工替代方案。零件尺寸是有限的，因为即使是大型DMLS机器在Protolabs的最大尺寸约为10英寸立方。这样做的好处是可以利用整个体积——如果你想用316不锈钢生产1000个显微手术器械，DMLS可以一次制造它们。一次熔化一层超薄金属的过程也不是非常快——我们的仪器可能需要几天的时间来制造。对于许多零件，数控加工仍然是最经济的选择。在其他方面，DMLS可能提供许多优势，其中最主要的是设计灵活性。
轻量化的应用程序
如果你正在考虑尝试DMLS，另一个建议是:如果零件是空心的，激光烧结速度要快得多，成本也要低得多。除非你正在寻找世界上最昂贵的镇纸，否则没有理由融化每一平方英寸的粉末层，因为所需要的只是描出足够的轮廓以确保其结构完整性。由于这个原因，DMLS是一个很好的选择，产品设计师的目标是轻量化的零件-与机械加工相比，轻量化会增加加工时间和成本，DMLS是相反的，随着零件重量的降低，成本也会降低。
这对飞机和汽车制造商来说是很重要的一点，因为每一盎司都事关燃油效率。如前所述，DMLS用铝和钛等轻质材料生产复杂的部件。
最终，零件设计是决定哪种工艺最好的关键因素。由于其复杂的三维形状，小型手术器械可以很好地使用激光烧结，而包含直接特征的部件-安装支架，集成块，电子外壳和许多其他组件可以很容易地以较小的体积加工。无论你走哪条路，这都是一个勇敢的金属制造新世界，一个Protolabs设备齐全的地方，可以帮助你探索。
如何设计金属增材制造
现在我们已经讨论了金属增材制造的常见应用和好处，让我们来看看如何在金属3d打印部件上设计功能的一些基本指南。
自营的角度![]()
自支撑角描述了特性相对于构建板的角度。角度越小，支撑自身的可能性就越小。每种材料的表现都略有不同，但一般的经验法则是避免设计小于45度的自支撑功能。这一技巧将适用于所有可用的材料。正如你在上面的图片中所看到的，随着角度的减小，零件的表面变得粗糙，如果角度减小得太远，最终零件会失败。
悬臂
悬挑不同于自支撑角，因为它们是零件几何形状的突然变化，而不是平滑的斜坡。与立体光刻和选择性激光烧结等其他3D打印技术相比，DMLS在支持悬垂方面相当有限。任何大于0.020英寸的悬垂。(0.5mm)应有额外的支撑，以防止损坏部分。当设计悬挑时，明智的做法是不要突破极限，因为大的悬挑会导致部分细节的减少，更糟的是，会导致整个建筑崩溃。
通道和孔洞
内部通道和孔是DMLS的主要优点之一，因为它们是其他制造方法无法实现的。保形通道在整个部件中提供均匀的冷却，并有助于减轻部件的重量。建议通道的直径不要超过0.30英寸。(8毫米)。类似于无支撑结构，当你超过0.30英寸。，朝下的构造就会变形。解决此约束的一个技巧是避免设计圆形通道。相反，用泪滴或钻石形状设计通道。遵循这些形状的通道将使通道内的表面光洁度更均匀，并允许您最大化通道的直径。
建议通道的直径不要超过0.30英寸。(8毫米)。类似于无支撑结构，当你超过0.30英寸。，朝下的构造就会变形。解决此约束的一个技巧是避免设计圆形通道。相反，用泪滴或钻石形状设计通道。遵循这些形状的通道将使通道内的表面光洁度更均匀，并允许您最大化通道的直径。
桥梁![]()
桥是由两个或两个以上的特征支撑的任何平坦的朝下表面。我们建议允许的最小不支持距离为0.080英寸。相对于其他3D打印技术，由于快速加热和冷却的压力，这个距离相对较短。在下面的图片中，您将看到随着无支撑距离的增加，桥梁是如何拉入支撑结构的。超过此建议限制的部件将在向下面对的表面上质量差，并且结构不健全。
金属增材制造可以使用哪些材料?
金属增材制造提供了许多通过传统工艺可以获得的常见金属，如不锈钢(17-4 PH和316L)、铝、钴铬、铜、铬镍铁合金和钛。
比较金属添加剂材料的性能
下面是可用合金和各种热处理之间的材料性能的并排比较。
| 材料 | 决议 | 条件 | 极限抗拉强度 (ksi) |
屈服应力 (ksi) |
伸长 （%） |
硬度 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 不锈钢 (以PH值) |
20μm | 溶液和老化(H900) | 199 | 178 | 10 | 42 HRC |
| 30μm | 溶液和老化(H900) | 198 | 179 | 13 | 42 HRC | |
| 不锈钢 (316升) |
20μm | 应力消失 | 89 | 73 | 55 | 94年HRB |
| 30μm | 应力消失 | 92 | 72 | 58 | 94年HRB | |
| 铝 (AlSi10Mg) |
15μm | 应力消失 | 45 | 31 | 8 | 46 HRB |
| 30μm | 应力消失 | 50 | 33 | 8 | 59 HRB | |
| 40μm | 应力消失 | 43 | 27 | 10 | 50 HRB | |
| 钴铬合金 (Co28Cr6Mo) |
20μm | 已建成的 | 182 | 112 | 17 | 39 HRC |
| 30μm | 已建成的 | 176 | 119 | 14 | 38 HRC | |
| 铜 (CuNi2SiCr) |
20μm | 沉淀硬化 | 72 | 63 | 23 | 87年HRB |
| 铬镍铁合金718 | 20μm | 应力消失 | 143 | 98 | 36 | 33 HRC |
| 30μm | 应力消失 | 144 | 91 | 39 | 30 HRC | |
| 30μm | 解决方案和老化按AMS 5663 | 208 | 175 | 18 | 46 HRC | |
| 60μm | 应力消失 | 139 | 83 | 40 | 27 HRC | |
| 60μm | 解决方案和老化按AMS 5663 | 201 | 174 | 19 | 45 HRC | |
| 钛 (Ti6Al4V) |
20μm | 应力消失 | 153 | 138 | 15 | 35 HRC |
| 30μm | 应力消失 | 144 | 124 | 18 | 33 HRC |
金属增材件后处理
一旦零件在机器内完成构建，可以采取几个步骤来改善其机械性能，表面光洁度质量，并确保零件的特征在公差范围内。
热处理
在零件制造完成后，对零件进行热处理是必要的，因为这将有助于减轻烧结过程中产生的内应力。建筑中的应力向外辐射到零件的边缘，并与每一个额外的层一起建造。例如，截面较厚的零件将有更多的应力。有多种热处理工艺可用于解决此问题:
- 真空炉:零件放置在真空密封炉内，然后暴露在高温环境中，从而减少内应力。
- 热等静压(HIP):通常被称为HIP，该过程对零件施加压力和热量，以减少孔隙率和增加密度。
后期数控加工
某些应用可能需要在金属部件制造后进行额外的加工。当特定特征需要严格公差或改善表面光洁度时，这是有用的，但整体几何形状需要增材制造来生产。例如，具有复杂冷却通道的火箭发动机部件具有配合功能，要求公差为+/- 0.001”。在某些情况下，由于地板上的芯片更少，材料的使用效率更高，因此可以使用后期CNC加工来降低成本。
质量检查
通常用增材制造制造的金属部件将需要尺寸验证或材料微观结构的评估。为此，可以使用三坐标测量机(CMM)来验证零件特征是否在公差范围内。CT或x射线扫描也可用于检查内部特征，并提供非破坏性解决方案，以确保结构完整性。