導(dǎo)讀：目前，不少研究人員對(duì)懸垂面的成形質(zhì)量進(jìn)行了工藝及策略上的探究和優(yōu)化，但缺少實(shí)際工業(yè)零件的打印驗(yàn)證，而使用懸垂工藝進(jìn)行工業(yè)應(yīng)用的研究卻主要集中在流體管道等具有較小懸伸長(zhǎng)度的零部件上。盡管國(guó)內(nèi)外部分廠家已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了超低角度工業(yè)零件的成形，但其核心工藝都嚴(yán)格保密。因此，開發(fā)一種具有普遍適用性的無支撐低角度成形方法，實(shí)現(xiàn)大懸垂區(qū)域工業(yè)零件的有效成形，對(duì)于無支撐打印的發(fā)展及進(jìn)一步突破具有重要意義。

基于以上問題，2024年2月，金石三維核心科研團(tuán)隊(duì)——華南理工大學(xué)楊永強(qiáng)教授和王迪教授等對(duì)無支撐金屬打印的成形機(jī)理、樣件表面質(zhì)量以及成形方法的適用性進(jìn)行了探究，同時(shí)使用實(shí)際工業(yè)零件進(jìn)行了打印驗(yàn)證。相關(guān)特邀論文以題為“激光選區(qū)熔化成形低角度無支撐結(jié)構(gòu)的方法與工藝研究”發(fā)表在《中國(guó)激光》期刊上。

研究人員通過DiMetal-100H低角度無支撐打印樣件

為了實(shí)現(xiàn)選擇性激光熔化（SLM）技術(shù)在無支撐低角度成形中的應(yīng)用，從而提升樣件的成形效率和降低打印成本，作者提出了一種基于加工層角度自適應(yīng)的下表面工藝區(qū)域劃分方法。該方法旨在通過自適應(yīng)調(diào)整加工層角度，優(yōu)化懸垂區(qū)域的成形策略，以提高樣件的表面質(zhì)量和整體成形的適用性。研究結(jié)果表明，能量密度的過高或過低都會(huì)對(duì)懸垂區(qū)域的多層成形產(chǎn)生不利影響，而采用適宜的熔化工藝對(duì)于懸垂結(jié)構(gòu)的成形能夠在保持低孔隙率的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)多層的有效打印。

研究人員通過DiMetal-100H低角度無支撐打印樣件

通過對(duì)懸垂結(jié)構(gòu)的上表面、下表面及內(nèi)部表面區(qū)域進(jìn)行劃分，并基于向下的比較層數(shù)進(jìn)行區(qū)域面積調(diào)控，可以顯著提高懸垂樣件的制造性和結(jié)構(gòu)完整性。應(yīng)用下表面工藝區(qū)域面積越大，懸垂樣件的成形性越好。對(duì)上下表面成形機(jī)理的深入分析顯示，下表面的成形質(zhì)量主要受到粘粉現(xiàn)象及熔池下陷造成的凸起影響，而上表面的質(zhì)量不僅受到粘粉的影響，還受到階梯效應(yīng)和輪廓邊界熔道間隙的影響。

最終，通過制作不同尺寸的測(cè)試樣件以及最低角度為15°的葉輪零件，驗(yàn)證了所提出的低角度成形方法的可行性。
以下是數(shù)據(jù)概覽。

下表面工藝區(qū)劃分原理及不同模型下表面工藝劃分結(jié)果 。（a）下表面工藝區(qū)劃分原理 ；（b）對(duì)于固定傾角樣件 ，不同向下比較層數(shù) T 對(duì)下表面工藝區(qū)的影響；（c）變傾斜角度樣件下表面工藝區(qū)的自適應(yīng)調(diào)控

低角度成形樣件模型、厚度測(cè)試點(diǎn)以及下表面工藝區(qū)分區(qū)。（a）成形模型；（b）厚度測(cè)試點(diǎn)；（c）不同向下比較層數(shù) T 下樣件的內(nèi)表面工藝區(qū)和下表面工藝區(qū)

不同工藝下成形懸垂樣件的形貌及分區(qū)。（a）不同工藝下成形的懸垂樣件的形貌；（b）過熔樣件的典型形貌；（c）適熔區(qū)樣件的典型形貌；（d）欠熔樣件的典型形貌

懸垂單層打印飛濺示意圖及刮刀對(duì)懸垂結(jié)構(gòu)的影響。（a）懸垂單層打印飛濺示意圖；（b）刮刀對(duì)懸垂結(jié)構(gòu)的作用

不同工藝成形懸垂樣件的層間搭接。（a）過熔工藝；（b）適熔工藝；（c）欠熔工藝

樣件翹曲機(jī)理及向下比較層數(shù)的影響機(jī)理。（a）翹曲樣件；（b）翹曲機(jī)理；（c）T=0 時(shí)的激光作用機(jī)理；（d）T≥40 時(shí)的激光作用機(jī)理

低角度樣件的上下表面形貌。（a）不開啟輪廓下表面；（b）不開啟輪廓上表面；（c）開啟輪廓下表面；（d）開啟輪廓上表面

環(huán)形葉輪模型及成形樣件。（a）葉輪低于 15°傾面區(qū)域；（b）葉輪低于 45°傾面區(qū)域；（c）成形葉輪頂視圖；（d）成形葉輪側(cè)視圖；（e）成形葉輪葉片上表面形貌

綜上，研究人員提出了一種低角度樣件的成形方法，并采用該方法實(shí)現(xiàn)了30°低角度樣件以及最低15°葉輪樣件的成形。對(duì)成形機(jī)理、樣件表面質(zhì)量以及成形方法的適用性進(jìn)行了探究，獲得了以下結(jié)論：

1）在水平懸垂樣件成形過程中，過高的能量密度會(huì)使懸垂樣件表面飛濺累積嚴(yán)重，在刮刀的作用下，樣件的層間結(jié)合性會(huì)被破壞。過低的能量密度會(huì)導(dǎo)致熔道搭接不足，甚至無法成形。采用適熔工藝，樣件能夠?qū)崿F(xiàn)多層的有效搭接。


2）在適宜的工藝條件下，下表面工藝區(qū)的劃分是影響低角度樣件成形的核心因素。在30°成形時(shí)，只有當(dāng)向下比較層數(shù)T≥40時(shí)，樣件的懸垂區(qū)域才能抵抗高能內(nèi)表面激光帶來的熱應(yīng)力變形，實(shí)現(xiàn)低角度打印。


3）下表面質(zhì)量主要受粘粉以及熔池下陷引起的凸起的影響，而上表面除了受粘粉影響外，還會(huì)受到階梯效應(yīng)和激光掃描盲區(qū)的影響。此外，上下表面與粉末接觸面積不同也是上下表面粘粉差異的主要原因。4）低角度樣件成形時(shí)，隨著樣件厚度增加，樣件變形逐漸加劇，而樣件寬度的增加幾乎不會(huì)對(duì)低角度樣件的變形產(chǎn)生影響。

最后，讓我們?cè)賮硪黄鹂纯磭?guó)內(nèi)外3D打印公司對(duì)無支撐打印技術(shù)的相關(guān)研究及具體成果。

EOS公司提出了一種高能下表面曝光法，這種方法允許在不使用支撐結(jié)構(gòu)的情況下，制造出10°到15°的懸垂結(jié)構(gòu)。利用這一方法，EOS公司成功制造了最低角度為10°的封閉葉輪，但葉輪的下表面質(zhì)量較差，粗糙度值介于25到46微米之間。這表明了在保持結(jié)構(gòu)完整性的同時(shí)，如何改善表面質(zhì)量仍是一大挑戰(zhàn)。

國(guó)內(nèi)的鉑力特在設(shè)備、粉末材料、打印路徑規(guī)劃以及工藝參數(shù)調(diào)整等方面進(jìn)行了深入的探索和創(chuàng)新，成功地形成了15°的懸垂結(jié)構(gòu)，并且成功打印出了低角度的葉輪盤。此外，華曙高科采用自主研發(fā)的選擇性激光熔化(SLM)少支撐技術(shù)，打印了閉式葉輪，其支撐量相比傳統(tǒng)SLM成形葉輪減少了99.8%，而且其內(nèi)外部各25°斜面結(jié)構(gòu)均在無支撐情況下順利成形。

導(dǎo)讀：目前，不少研究人員對(duì)懸垂面的成形質(zhì)量進(jìn)行了工藝及策略上的探究和優(yōu)化，但缺少實(shí)際工業(yè)零件的打印驗(yàn)證，而使用懸垂工藝進(jìn)行工業(yè)應(yīng)用的研究卻主要集中在流體管道等具有較小懸伸長(zhǎng)度的零部件上。盡管國(guó)內(nèi)外部分廠家已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了超低角度工業(yè)零件的成形，但其核心工藝都嚴(yán)格保密。因此，開發(fā)一種具有普遍適用性的無支撐低角度成形方法，實(shí)現(xiàn)大懸垂區(qū)域工業(yè)零件的有效成形，對(duì)于無支撐打印的發(fā)展及進(jìn)一步突破具有重要意義。

基于以上問題，2024年2月，金石三維核心科研團(tuán)隊(duì)——華南理工大學(xué)楊永強(qiáng)教授和王迪教授等對(duì)無支撐金屬打印的成形機(jī)理、樣件表面質(zhì)量以及成形方法的適用性進(jìn)行了探究，同時(shí)使用實(shí)際工業(yè)零件進(jìn)行了打印驗(yàn)證。相關(guān)特邀論文以題為“激光選區(qū)熔化成形低角度無支撐結(jié)構(gòu)的方法與工藝研究”發(fā)表在《中國(guó)激光》期刊上。

研究人員通過DiMetal-100H低角度無支撐打印樣件

為了實(shí)現(xiàn)選擇性激光熔化（SLM）技術(shù)在無支撐低角度成形中的應(yīng)用，從而提升樣件的成形效率和降低打印成本，作者提出了一種基于加工層角度自適應(yīng)的下表面工藝區(qū)域劃分方法。該方法旨在通過自適應(yīng)調(diào)整加工層角度，優(yōu)化懸垂區(qū)域的成形策略，以提高樣件的表面質(zhì)量和整體成形的適用性。研究結(jié)果表明，能量密度的過高或過低都會(huì)對(duì)懸垂區(qū)域的多層成形產(chǎn)生不利影響，而采用適宜的熔化工藝對(duì)于懸垂結(jié)構(gòu)的成形能夠在保持低孔隙率的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)多層的有效打印。

研究人員通過DiMetal-100H低角度無支撐打印樣件

通過對(duì)懸垂結(jié)構(gòu)的上表面、下表面及內(nèi)部表面區(qū)域進(jìn)行劃分，并基于向下的比較層數(shù)進(jìn)行區(qū)域面積調(diào)控，可以顯著提高懸垂樣件的制造性和結(jié)構(gòu)完整性。應(yīng)用下表面工藝區(qū)域面積越大，懸垂樣件的成形性越好。對(duì)上下表面成形機(jī)理的深入分析顯示，下表面的成形質(zhì)量主要受到粘粉現(xiàn)象及熔池下陷造成的凸起影響，而上表面的質(zhì)量不僅受到粘粉的影響，還受到階梯效應(yīng)和輪廓邊界熔道間隙的影響。

最終，通過制作不同尺寸的測(cè)試樣件以及最低角度為15°的葉輪零件，驗(yàn)證了所提出的低角度成形方法的可行性。
以下是數(shù)據(jù)概覽。

下表面工藝區(qū)劃分原理及不同模型下表面工藝劃分結(jié)果 。（a）下表面工藝區(qū)劃分原理 ；（b）對(duì)于固定傾角樣件 ，不同向下比較層數(shù) T 對(duì)下表面工藝區(qū)的影響；（c）變傾斜角度樣件下表面工藝區(qū)的自適應(yīng)調(diào)控

低角度成形樣件模型、厚度測(cè)試點(diǎn)以及下表面工藝區(qū)分區(qū)。（a）成形模型；（b）厚度測(cè)試點(diǎn)；（c）不同向下比較層數(shù) T 下樣件的內(nèi)表面工藝區(qū)和下表面工藝區(qū)

不同工藝下成形懸垂樣件的形貌及分區(qū)。（a）不同工藝下成形的懸垂樣件的形貌；（b）過熔樣件的典型形貌；（c）適熔區(qū)樣件的典型形貌；（d）欠熔樣件的典型形貌

懸垂單層打印飛濺示意圖及刮刀對(duì)懸垂結(jié)構(gòu)的影響。（a）懸垂單層打印飛濺示意圖；（b）刮刀對(duì)懸垂結(jié)構(gòu)的作用

不同工藝成形懸垂樣件的層間搭接。（a）過熔工藝；（b）適熔工藝；（c）欠熔工藝

樣件翹曲機(jī)理及向下比較層數(shù)的影響機(jī)理。（a）翹曲樣件；（b）翹曲機(jī)理；（c）T=0 時(shí)的激光作用機(jī)理；（d）T≥40 時(shí)的激光作用機(jī)理

低角度樣件的上下表面形貌。（a）不開啟輪廓下表面；（b）不開啟輪廓上表面；（c）開啟輪廓下表面；（d）開啟輪廓上表面

環(huán)形葉輪模型及成形樣件。（a）葉輪低于 15°傾面區(qū)域；（b）葉輪低于 45°傾面區(qū)域；（c）成形葉輪頂視圖；（d）成形葉輪側(cè)視圖；（e）成形葉輪葉片上表面形貌

綜上，研究人員提出了一種低角度樣件的成形方法，并采用該方法實(shí)現(xiàn)了30°低角度樣件以及最低15°葉輪樣件的成形。對(duì)成形機(jī)理、樣件表面質(zhì)量以及成形方法的適用性進(jìn)行了探究，獲得了以下結(jié)論：

1）在水平懸垂樣件成形過程中，過高的能量密度會(huì)使懸垂樣件表面飛濺累積嚴(yán)重，在刮刀的作用下，樣件的層間結(jié)合性會(huì)被破壞。過低的能量密度會(huì)導(dǎo)致熔道搭接不足，甚至無法成形。采用適熔工藝，樣件能夠?qū)崿F(xiàn)多層的有效搭接。


2）在適宜的工藝條件下，下表面工藝區(qū)的劃分是影響低角度樣件成形的核心因素。在30°成形時(shí)，只有當(dāng)向下比較層數(shù)T≥40時(shí)，樣件的懸垂區(qū)域才能抵抗高能內(nèi)表面激光帶來的熱應(yīng)力變形，實(shí)現(xiàn)低角度打印。


3）下表面質(zhì)量主要受粘粉以及熔池下陷引起的凸起的影響，而上表面除了受粘粉影響外，還會(huì)受到階梯效應(yīng)和激光掃描盲區(qū)的影響。此外，上下表面與粉末接觸面積不同也是上下表面粘粉差異的主要原因。4）低角度樣件成形時(shí)，隨著樣件厚度增加，樣件變形逐漸加劇，而樣件寬度的增加幾乎不會(huì)對(duì)低角度樣件的變形產(chǎn)生影響。

最后，讓我們?cè)賮硪黄鹂纯磭?guó)內(nèi)外3D打印公司對(duì)無支撐打印技術(shù)的相關(guān)研究及具體成果。

EOS公司提出了一種高能下表面曝光法，這種方法允許在不使用支撐結(jié)構(gòu)的情況下，制造出10°到15°的懸垂結(jié)構(gòu)。利用這一方法，EOS公司成功制造了最低角度為10°的封閉葉輪，但葉輪的下表面質(zhì)量較差，粗糙度值介于25到46微米之間。這表明了在保持結(jié)構(gòu)完整性的同時(shí)，如何改善表面質(zhì)量仍是一大挑戰(zhàn)。

國(guó)內(nèi)的鉑力特在設(shè)備、粉末材料、打印路徑規(guī)劃以及工藝參數(shù)調(diào)整等方面進(jìn)行了深入的探索和創(chuàng)新，成功地形成了15°的懸垂結(jié)構(gòu)，并且成功打印出了低角度的葉輪盤。此外，華曙高科采用自主研發(fā)的選擇性激光熔化(SLM)少支撐技術(shù)，打印了閉式葉輪，其支撐量相比傳統(tǒng)SLM成形葉輪減少了99.8%，而且其內(nèi)外部各25°斜面結(jié)構(gòu)均在無支撐情況下順利成形。