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零件順利成形是增材制造最基本的要求。然而受制于金屬粉末床熔融技術(shù)極高的冷卻速度特性，成形過程將產(chǎn)生很大內(nèi)應(yīng)力，導(dǎo)致零件極易產(chǎn)生形變。特別是工件的懸空結(jié)構(gòu)區(qū)域，其懸空結(jié)構(gòu)的翹曲變形導(dǎo)致打印失敗的難題，經(jīng)常困擾著工件設(shè)計(jì)人員。
經(jīng)過持續(xù)創(chuàng)新自主研發(fā)，目前，工業(yè)級(jí)3D打印領(lǐng)航企業(yè)華曙高科已攻克倒圓錐結(jié)構(gòu)、水平圓孔等特殊結(jié)構(gòu)成形難度大的技術(shù)難題，成功實(shí)現(xiàn)倒圓錐結(jié)構(gòu)20°-25°傾斜角的無限高度成形，無支撐一體成形的水平圓孔最大可達(dá)Φ50mm。
華曙高科于2023年在上海TCT亞洲展上現(xiàn)場(chǎng)展示了金屬3D打印少支撐技術(shù)，并實(shí)現(xiàn)航空航天、汽車等行業(yè)關(guān)鍵復(fù)雜結(jié)構(gòu)件高效率、高質(zhì)量、批量化無支撐打印。該技術(shù)顯著提升了金屬3D打印低角度成形能力。
金屬增材制造面臨支撐設(shè)計(jì)難題
合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、合適的成形工藝是保證零件順利成形的關(guān)鍵因素。在金屬增材制造領(lǐng)域，為了使懸空結(jié)構(gòu)順利成型，通常需要添加額外的支撐結(jié)構(gòu)，尤其是低懸空角度區(qū)域，業(yè)內(nèi)通常將傾斜角45度以下的懸空區(qū)域添加支撐，以降低零件成形過程中失敗的風(fēng)險(xiǎn)。
首先，打印支撐需要耗費(fèi)額外的粉末材料、增加額外的打印時(shí)間、提升后處理工序的難度和工作量，某些支撐無法去除，且易導(dǎo)致工件損傷而無法使用。
其次，為了減少支撐數(shù)量并保證支撐能被去除，設(shè)計(jì)師不得不更多地考慮增材制造的工藝特性，做一些面向增材制造的結(jié)構(gòu)修改，這在一定程度上給設(shè)計(jì)帶來了更多約束條件。
因此，改進(jìn)成形工藝，提升材料和工藝的低角度成形能力意義重大。
特殊結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)無支撐
華曙高科認(rèn)為，成形能力受材料、層厚、工藝參數(shù)等因素的影響顯著，且對(duì)于相同傾斜角的不同結(jié)構(gòu)零件，其成形難度本身也會(huì)有較大的區(qū)別。例如同樣傾斜角的倒圓錐與正空心圓錐，前者成形要相對(duì)更困難。
因此，對(duì)于材料和工藝開發(fā)人員而言，建立成形能力的驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)是非常必要的。華曙高科為材料成形工藝優(yōu)化做了很多前瞻性研發(fā)工作，經(jīng)過多年技術(shù)沉淀和創(chuàng)新研發(fā)，依托自研切片軟件，采用自適應(yīng)智能掃描策略，精準(zhǔn)控制能量輸入和零件局部熱量，在保證零件致密性的前提下，其成形能力相對(duì)于傳統(tǒng)掃描技術(shù)明顯提升。
經(jīng)過持續(xù)創(chuàng)新自主研發(fā)，華曙高科攻克倒圓錐結(jié)構(gòu)、水平圓孔等特殊結(jié)構(gòu)成形難度大的技術(shù)難題，成功實(shí)現(xiàn)倒圓錐結(jié)構(gòu)20°-25°傾斜角的無限高度成形，無支撐一體成形的水平圓孔最大可達(dá)Φ50mm。工藝優(yōu)化使此類零件不僅減少支撐數(shù)量，還提升了工件設(shè)計(jì)自由度，降低了對(duì)零件后處理的要求。
超10種應(yīng)用已批量生產(chǎn)
華曙高科始終致力于推進(jìn)粉末床熔融技術(shù)的應(yīng)用，以解決用戶的實(shí)際問題為導(dǎo)向，不斷推進(jìn)技術(shù)迭代升級(jí)。少支撐技術(shù)已應(yīng)用于數(shù)十種工件并實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)，材料涵蓋鈦合金、高溫合金、鋁合金、不銹鋼等，典型應(yīng)用包括燃料罐、閉式葉輪、閥體、噴嘴等零件，最大尺寸工件超過450mm。
少支撐/無支撐工藝三大優(yōu)勢(shì)
縮短生產(chǎn)及后處理時(shí)間，降低生產(chǎn)成本。以直徑約130mm，高度約50mm的IN718材料閉式葉輪為例，打印時(shí)間可縮短33%，成本可降低約25%以上。對(duì)于支撐量更多的零件可節(jié)約更多時(shí)間及成本。
提升產(chǎn)品質(zhì)量。支撐與工件結(jié)合處易產(chǎn)生冶金缺陷，去除支撐時(shí)易損傷工件本體，產(chǎn)生的碎屑若進(jìn)入流道等狹腔結(jié)構(gòu)，容易形成多余物，減少支撐量都能有效減少這些不利因素。
提升設(shè)計(jì)自由度。突破傳統(tǒng)45°成形角度限制，顯著拓寬應(yīng)用場(chǎng)景。如一些小尺寸零件具有復(fù)雜內(nèi)腔結(jié)構(gòu)，采用一般打印策略需修改設(shè)計(jì)或添加大量支撐，內(nèi)腔易存在局部變形問題，如采用無支撐策略，可順利成形。
華曙高科認(rèn)為，金屬增材制造技術(shù)仍有很大潛力待挖掘。未來將持續(xù)對(duì)金屬增材制造技術(shù)潛力和創(chuàng)新工藝進(jìn)行深入研究與挖掘，進(jìn)一步釋放其創(chuàng)新活力和發(fā)展空間。歡迎有意向的先鋒客戶與我們聯(lián)系，共同探討實(shí)踐少支撐技術(shù)應(yīng)用，推動(dòng)3D打印產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。
作者：華曙高科金屬產(chǎn)品事業(yè)部、市場(chǎng)部
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