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干货!金属3d打印设计规范解析

有媒体形容2016年是金属3D打印的元年,倒不是因为金属3D打印是新生事物,而是金属3D打印开始进入主流生产的视线,标志性事件就是通用一掷千金收购的Concept Laser和Acram,投入3D打印行业;国内做金属设备、金属粉末的更是一窝蜂一般,一个接一个,令人目接不暇。当然还有一个重要的因素就是金属3D打印的价格在下降,性能在提升,市场接受度在增加。未来金属打印必将成为3D打印的主流,特别是SLM技术的成熟,金属打印件的成型强度、性能不亚于锻件,而金属打印所能达到的境界却不是传统制造所能达到的。

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魔猴金属3d打印工厂

随着魔猴网客户打印金属的需求越来越多,魔猴网感觉急需普及金属3D打印如何设计——大众对于金属3D打印还存在着这样或者那样的误解,而厂家也有意无意夸大工艺能力。魔猴网也希望能通过自己的一些努力,能对大家的设计实践工作有一定帮助,推动金属3D打印在中国的发展。

首先明确一点,在谈金属3D打印生产的时候,不是替代生产已有部件,这是大众最常见的误解之一,生产已有的部件,可以说绝大多数情况金属3D打印不占优势;不管是机加工,铸造,钣金和焊接,传统的工艺都非常成熟,可以由传统工艺乘除的传统部件,无论成本还是效率,金属3D打印不占优势。当然了,如果只是想做个原型,金属3D打印也还是有应用的,好处是快,而且可以用跟最终产品一致的材料,这是金属3D打印的比较传统应用,我们更多想谈谈为金属3D打印生产的设计;

那么为什么要用金属3d打印生产?这就需要了解金属3D打印设计了,金属3D打印就是通过金属3D打印设计来达到综合成本降低的目的。通过金属3D打印要达到四大目的:

  1. 减少零件的个数;

  2. 减轻重量;

  3. 减少装配;

  4. 制作高复杂零件,通过这“三减一高”来达到降低综合成本的目的;

举例来讲,通用航空在网上发起了一个金属3D打印设计大赛,原有飞机上一个零件重2033 g (如图所示),面向公众征集3D打印设计,要求能满足强度和装配要求,越轻越好,最轻者获胜;比赛吸引了大量网友的参与,3D打印最大的一个好处就是它所谓赋予的设计自由度,图4所展示的所有的设计都满足了原有的约束条件,都能满足安装和强度要求,还大幅减轻了重量,最后的获胜者是图5, 327g,几乎是原来重量的十分之一,确切的讲是是原来重量的16%! 这对于“寸重寸金”的航空业来说,无疑是一次革命;每一个减少1706g重量,相当于每年减少几十万的燃料费,减少上万吨的碳排放;这就是3D打印的综合成本,不是单单制造成本,而是考虑综合的效应,这对于减重需求强烈的航空业非常明显,优势巨大。不仅是航空业,金属3D打印所能做的随行冷却模具,也有类似的综合成本优势,有机会魔猴在展开了给大家讲一下。

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谈完了重要的基本原则和目标,我们来聊一些干货,都是金属3D打印设计所急需的一些知识,希望能给大家在设计过程中以启迪,这些参数可能和厂家给的并不一致,多数都是实践中得到,比方说壁厚,厂家如果说能用0.2,但实践中0.2可能并不稳定。另外图中所涉及到的数字,可能和不同种类的3d打印机有一定关系,不同的设备,数值有可能不一样,但可以说基本上不会相差太大;

首先第一点,金属3D打印和其他3D打印一样,都要求3D数字文件满足实体性、水密性等等基本要求,魔猴网在之前已经有了总结,不太了解的同学可以移步到3D打印设计规范,看看3D打印的基础设计规范。

再来聊一下金属3D打印的具体要求:

1.最小细节特征

最小细节特征不小于0。15mm,也就是说小于0。15mm的特征、细节,有可能会被忽略,表现不出来。比方说一个0。1的卡槽,尽管最小光斑可以小于0。15mm,由于细节是有特征的,特征有可能被忽略;

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2.最小壁厚

最小壁厚可以达到0。2mm,但建议不要小于0。5mm, 最小壁厚还跟物品的结构,还跟物品的高度和壁厚的比值有关,一般来讲这个比值不要超过40,超过40就有可能发生走形的情况;

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3.表面光洁度

表面的粗糙程度,光滑程度和三个因素有关:(1)打印材料;(2)建造参数;(3)零件摆放方向;

下面列表总结了几种常见3D打印材料,在不同的打印情况下,表面粗糙度的情况,设备,形状,摆放等等,都对表面有影响,总体来说垂直比倾斜表面好,倾斜上表面好于下表面。

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4.支持结构

江湖一直有个传说,使用粉末3D打印技术不需要支撑,这可能对SLS塑料是成立的,但对于金属3D打印,支撑是需要的,而且很多时候还是必要的;金属3D打印的支撑的主要作用有:(1)与打印平台连接;(2)保住零件的形状;(3)防止翘边;

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因此,金属3D打印有可能产生大量支撑结构,这就造成了两个问题,一个就是额外的费用,这里有个“秘密”,魔猴网在线报价涉及到支撑都是给的最低价格,有很多甚至直接免费没有算支撑,对于金属3D打印,这对魔猴网来说是比较吃亏,对广大用户确是利好,这也许就是传说中的“老板疯了”;第二个就是额外的工序,主要是指去支撑,有时候支撑去的让人怀疑人生,这毕竟是金属支撑,不是塑料支撑,打磨也是痛苦。那怎么办?就这么忍受吗?其实不应该,应该发挥3D打印所能带来的设计自由度,设计出来支撑很少,性能更好的部件,举例来说,下面一个零件,传统的结构,如果要直接打印,产生支撑是非常多的,重新设计之后(右),基本上不需要支撑,强度更高,是用蜂窝状结构,重量还减少。

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支撑产生的角度不同的设备和材料可能不一样,多数情况下,单靠粉末来支撑倾斜角是不够的。

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江西11选5走势图小于30度,基本上不加支撑就不能看了

5.悬空

横截面上面一层比上一层大,就产生了悬空。金属3D打印对悬空的容忍度是比较低的,大于0.5 mm的悬空就会产生问题。

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内孔一般有自支撑结构,一般情况对打印影响不大,这对于生产随性冷却模具是非常有利的。但是,如果孔径太大,也会产生问题。如图所示,一般孔径小于8mm,都可以达到自支撑的效果,大于8mm,会产生悬空的问题。

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6.桥接结构

桥接结构所允许的距离大约是2mm,还是比较小的。

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7.内应力-翘曲

内应力是金属3D打印所必须要面对的一个问题,当打印物品的横截面变化很大的时候容易产生比较大的内应力,另外大面积平整表面,也会产生很强的内应力,这种内应力非常大,可以把打印基座拉变形,甚至切断螺栓。这需要我们在设计的时候,避免横截面突然由较小变到交大,要逐步过渡;另外避免使用大面积平整平面,换个思路想一下,如果需要一块比较平整的平面,为啥要用3D打印呢?

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8.其他设计技巧

金属3D打印非常适合打印网格状的结构,这些网格状的结构,很适合做内支撑,既能减重,强度还能保留;

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要考虑打印完毕后支撑的去取和粉末的去除,要留出支撑和粉末去除的入口,不能打完了支撑被永久封到了内部。

最后,给大家一个3D打印金属设计的真是示例,大家可以体验一下。

第一版设计:就是原始零件的设计图, 需要三个部件来组装,更要命的是产生的支撑太多!

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江西11选5走势图第二版设计:零件整合,变为两个零件,但是支撑还是令人绝望,需要的时间和生产效率都太低。

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第三版设计:三个零件最终变为一个零件,不再需要装备,而且,新的结构几乎不需要支撑,最后表面成型质量还最好,而且也很好的考虑了可能产出的翘起,这样打印,几乎不可能产生翘起!

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江西11选5走势图 总结来说,金属3D打印开启了全新的设计选项,解放了设计的自由度,让更多的设计可能变为了现实。但是,金属3D打印不会取代传统的制造方式,各有所长,互为补充。

江西11选5走势图 了解金属3D打印的规范,才能最大程度得到金属3D打印的好处,希望能帮助到需要金属3D打印的朋友们,这也是魔猴网的一点小心意。

,可以参考广州3D打印的资料,
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