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SLM快速成型中的支撑结构设计研究

2015/12/23    来源:互联网    作者:曹冉冉  李强  钱波      
关键字:快速成型  激光熔融成型  支撑结构  
在选择性激光熔融成型中,添加合理的支撑结构对保证具有复杂曲面零件的完整制造有着重要的作用。以最终成型零件的可行性及成型精度为目标,以相关实验验证为依据,对选择性熔融成型中支撑结构设计进行了研究。

0 引言

    快速成型是20世纪80年代兴起并得到迅速发展的新概念制造技术,不同于传统去除材料的机械加工方法。快速成型在增材生长基本理念的基础上,根据CAD模型快速生产出零件,其集成有CAD模型技术、数控技术、激光技术、材料科学等,逐渐成为一种新型先进制造技术。大致可分为以下几大快速成型工艺:光固化快速成型(SLA)、选择性激光烧结(SLS)、分层实体成型(LOM)、熔融沉积成型(FDM)和选择性激光熔融成型(SLM)。其中基于选择性激光熔融成型的制造特点,在零件关键部位合理地添加支撑直接决定零件能否连续成长、以及成型件的精度和性能。因此在选择性激光熔融成型中对具有悬垂或曲面倾斜度过大的零件,进行支撑结构的必要性、合理性研究对于快速成型的科学应用提供重要的参考依据。

    目前,对于支撑工艺的研究大量集中在对支撑的生成算法研究或总体规则设定上,在零件的实际制造过程中,使用工艺软件添加的支撑结构往往并不合理,不能直接将其生成的模型运用到零件加工中,针对一种常用材料在优化后的参数下进行了关于支撑结构的研究,得出支撑结构参数之间的关系公式,对支撑结构的设计起到一定的指导作用。

1 支撑结构

    选择性激光熔融成型过程中,支撑的主要作用体现在:①承接下一层未成型粉末层,防止激光扫描到过厚的金属粉末层,发生塌陷;②由于成型过程中粉末受热熔化冷却后,内部存在收缩应力,导致零件发生翘曲等,支撑结构连接已成型部分与未成形部分,可有效抑制这种收缩,能使成型件保持应力平衡。对于无支撑的竖直向上生长的零件,比如柱状体,粉末在已成型面上均匀分布,此时其下方已成型部分的作用相当于一种实体支撑;对于有倾斜曲面的零件,比如悬臂结构,此时若无支撑结构,成型失败主要体现在:①由于有很厚的金属粉末,粉末不能完全融化,熔池内部向下塌陷,边缘部分会上翘;②在进行下一层粉末的铺粉过程中,刮刀与边缘部位摩擦,由于下方没有固定连接,该部分会随刮刀移动和翻转,无法为下一层制造提供基础,成型过程被破坏。添加支撑能有效防止此类现象发生。

    综上所述,在选择性激光熔融成型中,支撑结构作用为:

    (1)承接下一层粉末层,保证粉末完全融化,防止出现塌陷。

    (2)抑制成型过程中由于受热及冷却产生的应力收缩,保持成型件的应力平衡。

    (3)连接上方新成型部分,将其固定,防止其发生移动或翻转。

    实际的运用中具体的体现如下:

    图1为根据具体零件的曲面造型设计的支撑结构图,由图1可看出是否添加支撑以及添加支撑的结构的优劣直接决定了零件能否完整成型;其中图1(a)为未添加支撑导致零件制作失败的模型及失败零件,从图明显看出零件边缘有缺失,这是因为零件边缘发生严重翘曲,使得刮刀进行下一层铺粉时与零件已成型部分发生碰撞,导致曲面制作失败;图1(b)为添加合理支撑结构的模型及成功零件,可看到模型添加合理的支撑后,设备能够很流畅的制作出零件,零件特征满足精度要求;图1(c)为添加支撑结构不合理导致零件成型失败,可看出不合理的支撑,成型过程中支撑生长的不饱满,不同部位的支撑发生凸起或塌陷,导致支撑体无法继续生长;图1(d)为优化支撑结后的模型及成功制件,可以看出正确合理的支撑结构能够满足制造有复杂曲面的零件的要求。由此可见,合理的支撑结构对于零件制造的重要性。

支撑结构运用的实物图

图1 支撑结构运用的实物图

责任编辑:程玥
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