无支撑金属3D打印技术白皮书，可实现封闭叶轮制造

南极熊导读：在金属增材制造（AM）过程中，支撑物的添加和去除一直以来都是一大难题。以直接金属激光烧结 (DMLS) 为例，打印前需要为模型预设支撑结构以避免热应力引起的变形并将热量从熔池中传导出去。这些支架是设计的一部分，并作为一个整体制造。建造后，支撑结构被拆除并丢弃。倘若没有支撑物，就难以打印出低于一定倾斜角度（通常45°左右）的悬撑结构，这往往限制了金属3D打印系统用户的选择，也为许多设备OEM和增材制造软件公司带来了极大的挑战。文末可下载白皮书

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2022年11月6日，南极熊获悉，为解决上述问题，来自EOS公司Additive Minds的专家现在已经开发了多种工艺优化技术来生产无支撑结构的 3D打印部件，例如：定子环、外壳、涡轮泵、油箱、热交换器、阀门和叶轮，其中封闭式叶轮是较为典型的案例之一。通过优化设计软件和参数包，EOS使用户能够以更低的角度（有时甚至零角度）打印悬臂和桥梁，需要的支撑物少得多，甚至没有。

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无支撑增材制造也为后处理阶段节省了大量时间，因为无需移除额外的支撑。在手动移除的情况下，这也可以让员工腾出时间和精力用于其他工作。制造无支撑结构的零件也减少了材料的浪费，因为没有任何东西被扔掉，零件和支撑设计的各个方面都是必要的。然而，这并不是一个简单的过程，多年来软件设计专家和制造商们一直致力于应对无支持设计的挑战。

在本文中，主要展示了EOS的专家如何利用无支撑方法来构建叶轮。封闭式或罩式叶轮在许多行业都有应用，它们在尺寸、形状、材料和性能要求上有很大的不同。封闭式叶轮经常暴露在各种极端条件下，如高转速、高腐蚀性介质和极端温度造成的机械负荷。例如，太空火箭中的涡轮泵应用，微型燃气轮机中的压缩系统，以及石油和天然气应用中的海水泵。

传统金属3D打印中的支撑设计需求

设计带有支撑的 3D 打印件一直是增材制造 (AM) 的标准方法。支撑的数量、大小和位置由多种因素决定：

打印过程中的残余应力可能导致 3D 模型变形。可以添加支撑以从物理上防止这种变形；
重涂机的中断影响部件的中间构建可能会振动部件或造成损坏，从而导致工作不成功。支架用于保护零件免受重涂机的任何影响；
通过支撑的热传递使零件在构建过程中更快、更成功地冷却和成型。

为确保3D打印机构建完成并成功生产零件，需要考虑到影响支撑设计的各种原因，包括：

零件方向决定了零件有多少需要支撑。通常，如果零件被定向以便更大的表面积不在构建板上，则需要更多的支撑来补偿上述因素。
45 度或更小的悬垂通常被认为需要支撑结构。
通道和孔在没有支撑的情况下可能会变形，具体取决于它们的大小以及它们是否定向无效。

模型设计

凭借正确的专业知识和创造性的解决问题的技能，EOS 的团队成功地开发出新的方法来设计构建模型，打破了“低倾角必须添加支撑”的先入之见，并取得了出色的结果。本文用于展示无支撑结构和 DMLS 工艺功能的叶轮由 EOS Additive Minds 设计，直径为 150 毫米，带有 12 个悬垂角低至10 度的叶片。

△叶轮的设计，来源：EOS

构件倾斜方向与支撑结构

叶轮通常会以倾斜的方向打印，以避免内部支撑，因为它们很难移除。然而，这种定向通常会导致构建时间更长、表面质量不均匀，并且零件的圆形度会受到影响。平面方向提供了几个优点，例如更短的构建时间、更好的圆度和精度以及整个零件的更均匀的表面质量。然而，低悬垂通常需要大量支撑。对于当前的 DMLS 工艺，需要支持角度小于 35° 的较大悬伸。需要支架来散发熔池的热量，以补偿重涂力和零件内部应力。

△传统方向和由此产生的支撑结构（右），倾斜外壳（左），来源：EOS

无支撑设计优化

EOS通过借助先进的模型设计技术，显著减少了添加内部支撑的必要性。增材制造过程的设计优化也是关系到打印能否成功的另一个重要方面。虽然主要通过使用调整的暴露策略可以避免内部支撑，但通常仍然需要外部支撑结构。

在本文的叶轮案例中，无需使用实心填充，通过使用自支撑拱和薄壁对零件底部进行修改，以确保牢固的平台连接并防止在构建过程中变形。这允许与传统支架一样使用更少的材料，同时提供高强度和改进的机械加工性。叶轮的外径是封闭的，以便在构建时为零件提供更大的刚度，并防止出口边缘的几何精度损失。对于这种叶轮，先进的设计能够减少 15% 的材料，同时具有加工优化和自支撑结构，并且没有内部支撑。

△传统vs 无支撑构建，来源：EOS

流程优化

叶轮采用所谓的高能 DownSkin 方法（用于构建悬垂表面的暴露类型）构建。本质上，该方法通过增加激光功率同时调整其他 DownSkin 参数来增加 DownSkin 曝光的能量密度输入。这会产生更大但更稳定的熔池，尤其是在松散粉末上构建悬垂物时。该方法已成功用于许多经常用于制造叶轮的材料（例如 Ti64、316L、AlSi10Mg、In718 等）。

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因此，可以确保所有临界角都可以从这个优化的参数中受益。与其他无支撑技术不同，高能DownSkin 方法不会牺牲构建速度，因此不会牺牲商业案例来避免支撑。

在没有任何对策的情况下，由于熔池较深，高能 DownSkin 方法会导致 DownSkin 区域中 z 方向的零件尺寸过大。零件可以通过后处理或通过调整设计来调整到合适的尺寸。DownSkin 也相对粗糙，但粗糙度是均匀的，这有助于大块表面处理技术，如磨料流加工。也几乎没有任何孔隙（见下图），孔隙仅限于 DownSkin。因此，整体机械性能不受影响，您仍然可以依赖 EOS 开发的高质量 InFill 工艺。因此，也不需要像热等静压这样的二次工艺来获得足够的机械性能。

△横切高能DownSkin 曝光，来源：EOS

构件打印质量可以在下面的图片中看到：

△图片突出了高能量 DownSkin 方法的 DownSkin 质量，来源：EOS

后处理（磨料流加工，AM Metals）

磨料流加工是用于流相关应用和内部几何形状的常用表面精加工技术。研磨介质被推过固定在夹具中的零件。介质中的磨料颗粒沿流动路径研磨和抛光表面。作为内表面精加工的准备工作，封闭的外径需要加工成开放的，直径和零件高度调整到用于 AFM 工艺的夹具。预加工后，零件被夹紧，研磨介质在夹具的帮助下被推过零件。在 AFM工艺之后，叶轮被加工成最终尺寸。

用磨料流加工 (AFM) 处理后的最终零件