金属增材制造入门
了解金属添加剂如何创建复杂，耐用，轻质的金属部件
当第一次直接金属激光烧结当(DMLS)机器进入生产车间时，一些制造业人士认为传统机械加工的末日即将来临。毕竟，在机器里装满金属粉末，加载CAD文件，几个小时后，一个闪亮的新零件就蹦出来了，这有多酷?一家商店怎么可能与一台几乎不产生废物、没有切割工具、只需按一下按钮就能安装的机器竞争呢?
事实证明，DMLS的现实与那些早期的假设略有不同。这里没有“星际迷航”式的复制器，而是对传统加工的补充。DMLS直接从CAD模型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，如果你有一个不可能加工的高度复杂的部件，DMLS可能是答案。
与其他基于激光的增材工艺一样，DMLS从下往上制造零件。它使用镱激光将金属粉末的微观颗粒熔化并融合成几乎任何可以想象到的形状，只要它适合微波炉大小的建造室。
什么是金属增材制造以及它是如何工作的?
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，从下一个最大的渔船螺旋桨到印地赛车的进气口。Protolabs的3D打印技术人员可以将电子梦想变成物理现实，只需几个相对快速的步骤:
- CAD模型被数字化切割成薄如纸的层，并设计了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DMLS机器上。
- 粉末床由五种高强度合金之一填充:铝、不锈钢、钛、钴铬或铬镍铁合金。然后在构建平台上分布所选材料的薄层。
- 当构建开始时，大功率激光器开始工作，绘制出这批部件的底层，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，几乎完成的部分被从构建室。构建支撑被移除，然后可以根据客户需求进一步处理部件。
这本质上就是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。首先，DMLS需要支撑结构来在构建部件时将特性固定在适当的位置。没有它们，平坦的区域可能会卷曲——t型会变成Y型，餐盘会变成馅饼盘。在大多数情况下，Protolabs客户可以将支撑放置留给DMLS专家，但应该理解，在构建过程中，未支撑的表面确实倾向于翘曲，并且需要二次后期处理来锯、磨或加工这些支撑。
金属添加剂零件的公差和表面光洁度
零件公差是另一个设计考虑因素。高分辨率DMLS的层厚为0.0008英寸。(0.02毫米)，可以生产相当精确的零件，公差为+/- 0.003英寸。(0.076毫米)，部分特征小至0.006英寸。(0.152毫米)，表面抛光类似于砂型铸造。如果您需要更平滑的表面处理，Protolabs提供了许多整理操作，包括喷珠，手工抛光和绘画。
对于那些担心激光烧结零件的冶金性能的人，不必担心。DMLS使用激光能量来熔化单个金属颗粒。光束的每一次通过都与前一次重叠，并直接将下面的层重新熔化，将金属融合成均匀的质量，其密度为常规成形材料的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部件设计打开了大门。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。随着合金种类的增加，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“楼梯踏步”将发生在有角度的表面上——例如，金字塔形零件的侧面将比立方体的侧面更粗糙。Protolabs将尝试调整零件构建的方向，以尽量减少这种影响，但在提交零件设计时指出任何关键表面或特征非常重要，因此这些可以放置在水平构建平面上。应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。如果需要非常接近的公差孔或特征，设计应包括后续扩孔或二次加工的额外材料。与往常一样，如果有任何问题，建议与Protolabs的应用工程师进行对话。
请记住，DMLS并不一定是加工的更快、更简单的替代品。零件尺寸是有限的，因为即使是大尺寸的DMLS机器在Protolabs最大也只有10英寸立方。这样做的好处是，整个体积都可以利用——如果你想用316不锈钢生产1000个显微手术器械，DMLS可以一次制造出来。一次熔化一层超薄金属的过程也不是特别快——我们的仪器可能需要几天的时间来建造。对于许多零件，数控加工仍然是最经济的选择。对于其他方面，DMLS可以提供许多优势，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，激光烧结的速度要快得多，成本也要低得多。除非你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，因为所需要的只是勾勒出足够的轮廓，以确保其结构的完整性。出于这个原因，DMLS是产品设计师的一个很好的选择，与机械加工相比，轻量化会增加加工时间和成本，DMLS则相反，随着零件重量的下降，它的成本会降低。
对于飞机和汽车制造商来说，这一点很重要，因为在这些地方，每一盎司的燃料都很重要。如前所述，DMLS生产轻质材料(如铝和钛)的复杂部件。
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，微型手术器械可以很好地使用激光烧结，而包含简单特征的部件-安装支架，集成块，电子外壳和许多其他部件可以很容易地以较小的体积加工。无论你走哪条路，这都是金属制造的一个勇敢的新世界，Protolabs装备精良，可以帮助你探索。
金属增材制造如何设计
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![]()
自支撑角描述特征相对于构建板的角度。角度越低，它支撑自己的可能性就越小。每种材料的性能略有不同，但一般的经验法则是避免设计小于45度的自支撑功能。这个技巧可以帮助你阅读所有可用的材料。正如你在上图中所看到的，随着角度的减小，零件的表面光洁度会变得粗糙，最终如果角度减小太多，零件就会失效。
悬臂
悬挑角与自支撑角的不同之处在于，悬挑角是部件几何形状的突然变化，而不是平滑的斜坡。与其他3D打印技术(如立体光刻和选择性激光烧结)相比，DMLS在对悬垂的支持方面相当有限。任何大于0.020英寸的悬垂。(0.5mm)应有额外的支撑，以防止损坏零件。在设计悬挑时，明智的做法是不要突破极限，因为过大的悬挑会导致零件细节的减少，更糟糕的是，会导致整个构建崩溃。
通道和孔洞
内部通道和孔洞是DMLS的主要优点之一，因为它们是其他制造方法不可能实现的。保形通道在整个部件中提供均匀的冷却，并有助于降低部件的重量。建议通道直径不超过0.30 in。(8毫米)。与不受支持的结构类似，当您超过0.30英寸时。时，朝下的结构会变形。绕过这个限制的一个技巧是避免设计循环通道。相反，应该设计泪滴形或菱形的通道。遵循这些形状的通道将使通道内的表面更加均匀，并允许您最大化通道的直径。
建议通道直径不超过0.30 in。(8毫米)。与不受支持的结构类似，当您超过0.30英寸时。时，朝下的结构会变形。绕过这个限制的一个技巧是避免设计循环通道。相反，应该设计泪滴形或菱形的通道。遵循这些形状的通道将使通道内的表面更加均匀，并允许您最大化通道的直径。
桥梁![]()
桥是由2个或2个以上的特征支撑的任何平面向下的表面。我们建议允许的最小不支持距离为0.080英寸。与其他3D打印技术相比，由于快速加热和冷却的应力，这一距离相对较短。在下图中，你将看到随着无支撑距离的增加，桥梁是如何将支撑结构拉进的。超过这一推荐限度的零件将在向下的表面上有较差的质量，并且结构不牢固。
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获得的常见金属，如不锈钢(17- 4ph和316L)、铝、钴铬、铜、铬镍铁合金和钛。
比较金属添加剂的性能
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 | 溶液老化(H900) | 199 | 178 | 10 | 42 HRC |
| 30μm | 溶液老化(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 | 解决方案和年龄根据AMS 5663 | 208 | 175 | 18 | 46 HRC | |
| 60μm | 应力消失 | 139 | 83 | 40 | 27 HRC | |
| 60μm | 解决方案和年龄根据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 |
金属添加剂零件的后处理
一旦零件在机器内完成建造，可以采取几个步骤来提高其机械性能，表面光洁度质量，并确保零件的特征在公差范围内。
热处理
在零件制作完成后进行热处理是必要的，因为这有助于缓解烧结过程中产生的内应力。构建中的应力向外辐射到部件的边缘，并与每一附加层一起构建。例如，截面较厚的零件会有更大的应力。有多种热处理工艺可以用来解决这个问题:
- 真空炉:零件被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):通常称为HIP，该工艺对零件施加压力和热量，以减少孔隙率和增加密度。
后期CNC加工
一些应用可能需要额外的加工后，金属组件构建。当特定特征需要严格的公差或改进的表面光洁度质量，但整体几何结构需要进行增材制造时，这是有用的。例如，具有复杂冷却通道的火箭发动机组件的配合特性要求公差为+/- 0.001”。在某些情况下，后期CNC加工甚至可以用于降低成本，因为地板上的芯片更少，材料的使用更有效。
质量检查
通常用增材制造制造的金属部件需要尺寸验证或材料微观结构的评估。为此，可以使用坐标测量机(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，并提供无损解决方案，以确保结构的完整性。