分享：SLM金属3D成型中支撑类缺陷优化研究

激光选区熔化成形技术是金属3D打印的重要分支，在强度、精度、致密性方面表现出色，已成为增材制造体系中最具发展潜力的技术之一。文章采用316L不锈钢粉，利用激光选区熔化成形技术进行金属3D成型，分析了成型中因支撑强度不足和支撑添加不当引起的缺陷，提出了采用网格支撑和锥形支撑嵌套方式解决支撑无力的问题的方法，并以镂空结构的零件为例，提出了优化支撑的零件摆放方式。文章的分析结果对SLM金属3D打印中支撑添加优化具有借鉴意义。

增材制造技术也称3D打印技术，是通过微积分的概念将三维实体模型数据离散成二维截面数据，再将二维截面数据在高度方向上扫描累积，最终形成三维实体零件。3D打印技术在航空航天、汽车、生物医疗等领域具有广阔的发展前景，被称之为“第三次工业革命”[1]。目前，金属零件的快速成形方法主要有间接激光烧结、直接激光烧结和液滴喷射沉积，其中直接激光烧结技术是目前快速制备致密金属零件的主要技术。激光选区熔化成形技术SLM(Selective Laser Melting，简称SLM)是金属3D打印的重要分支，在强度、精度、致密性方面表现出色，成为了增材制造体系中最具发展潜力的技术之一[3-4]。

基于SLM技术的3D打印质量受原材料、支撑添加、工艺参数(如激光功率、扫描速度、层厚和扫描间距等)的影响。成型缺陷包括宏观(如翘边、坍塌和支撑无法剔除等)和微观(如空隙率较大、致密度较差)两个层面。本实验使用的增材制造设备为BLT-S200型激光3D成型机，如图1所示。设备最大成型尺寸100 mm×100 mm×200 mm，分层厚度20~60 μm。成型材料为316L不锈钢粉，牌号为022Cr17NI12M02。本文主要针对由支撑引起的零件宏观表面质量缺陷进行分析和优化研究，结果对同类零部件成型具有普遍参考意义。

支撑添加的必要性

SLM成型过程中，每成型一层，成型平台相对于激光扫描方向沿Z轴下降一个层厚高度，再进行下一层成型过程[5]。支撑添加主要有以下三个作用：一是承托固定。当成型结构中存在悬空结构或不满足成型角度的面时，需要通过添加支撑对此类结构进行承托，避免重力造成塌陷。二是抵消应力。SLM成型中，由于激光烧熔产生的热应力可能引起成型体的翘边变形，通过添加具有一定强度的支撑对零件进行保护，防止零件由应力造成的变形。三是用支撑形成散道，便于降低激光烧熔熔池的温度，从而减少熔池周边粉末的黏连，提升SLM成型质量。

SLM成型中常见支撑类缺陷

支撑强度不足引起的成型结构变形

在SLM金属3D成型中，网格支撑和锥形支撑应用较广。网格支撑由非常密集的格子组成，可以保证成型体表面质量，但强度较低。锥形实体支撑具有较好的力学性能和承载强度，但密度过大不易去除。网格支撑基本形貌如图2所示，锥形实体支撑基本形貌如图3所示。其中锥形支撑属于实体结构支撑，较网格支撑承载力大，但相对难以去除。

图4的零件仅添加网格支撑，在成型过程中产生了支撑和成型实体、支撑和成型平台发生剥离的现象。经分析，产生的原因如下：一是成型基材预热不充分，导致支撑底部与基材由于热胀冷缩而发生脱落缺陷；二是支撑结构为仅为网格支撑(如图4所示)，且网格空隙偏大，成型结构为实体块，因此支撑结构承载力不足以支撑高密度大质量的实体，产生剥离缺陷。通过添加网格与锥形嵌套的支撑结构，即在支块状支撑四周边缘处添加锥形支撑(如图5所示)可以更好地发挥两种支撑的优势，加强支撑体的承载力和与结构体之间的粘合力，解决结构体翘边剥落缺陷。

支撑难以剔除引起的表面质量缺陷

支撑结构对提高具有悬空特征结构的模型表面质量具有重要作用，其不足之处是成型后与实体难以剥离[6]。图6所示的镂空结构体在成型过程中采用图7(b)中的支撑，出现了因支撑难以去除而产生的表面质量缺陷。解决途径主要有以下两个方面：一是尽量以可行的最佳角度来放置模型，减少加支撑面的数量；二是优化支撑类型，在保证承托结构的同时，尽可能减小支撑与结构体的接触面积。

图7是图6的三种支撑添加方法。将零件分别按三种方式进行摆放，水平摆放、竖直摆放和倾斜摆放。通过Magic软件添加支撑，支撑添加临界角为45°，发现图7(a)的水平摆放方式，支撑数量最多，且几乎遍布零件表面；图7(b)中，零件下半部分添加支撑过多；图7(c)中，添加支撑相对较少，为三种摆放方式中的最优方案。在保证支撑力度的前提下，优化摆放角度时，适当减小支撑与零件的接触面积，便于成型过程结束后顺利去除支撑。

结束语

对于支撑强度不足引发的宏观质量缺陷，可结合零件实际情况，采用网格和锥形实体棒嵌套的方式，提高支撑的承托强度；对于结构复杂的镂空结构，采用优化摆放角度和适当较小支撑接触面的方式，避免因支撑难以去除而造成的零件表面质量缺陷。

文章来源——金属世界