3D打印设计指南：选择性激光烧结技术 (SLS) 应用和设计技巧

魔猴君  知识堂   533天前

选择性激光烧结 (SLS) 3D打印技术可实现卓越的品质和 生产力，同时为注塑成型无法实现的高性能设计打开了大 门。SLS 增材制造还省去了注塑成型模具的漫长交付时间 和前期投资。如果从三个方面衡量成品部件：质量、上市时 间和每立方英寸的成本，在许多情况下，工业 SLS 都能提供更好的总价值主张。

本指南包含在设计为采用 SLS 技术构建时如何确保成功构建更优质部件的具体详细信息，如轴、构架、复杂管道、活动铰链、夹扣及其他部件。

一、轴

摩擦、拟合和粉末清除是SLS制造轴设计方面的三个因素。在静态侧(组件的“非应力”侧)应用1至2mm导轨来控制摩擦。导轨与轴管之间的间隙保持在0.3mm。若在离导轨较远的区域留出2mm以上的间隙，则可通过在静态侧的除粉入口吹入压缩空气，来轻松彻底地清除粉末。

在去除粉末时，一边旋转轴一边吹入压缩空气，将粉末吹出轴腔。作为一种天然轴承材料，尼龙可为低负载、低速应用提供一个顺畅的低摩擦机构。在摩擦可能产生热量和导致磨损的更加苛刻的应用中，可以考虑嵌入式轴承。

二、挡板 - 气流管理

如需将安装点穿过挡板，将挡板拉长并形成空气动力学的泪滴形状，可以减少湍流形成的位置。这样可以提高气流效率并降低噪音。

始终将挡板设计为缓和的圆角，以防管道的侧壁裂开，尤其是在组件的应用环境为压力环境和/或温度循环环境的情况下。

三、嵌入式轴承

在此示例中，我们介绍将陶瓷球轴承装入凹槽(CAD 建模为 A、B 面之 间的一个环形腔体) 内。可以将它看作一个集成混合铰链机构。

尼龙是一种天然良好的低摩擦承载材料。但是，在您期望能够长期重 复循环承载的应用中，将使用 CAD 建模的已经就位的球轴承换成陶 瓷球轴承(通过检修孔安装)，可以得到一个非常耐用、顺滑的机构。

将所有轴承都装入凹槽后，可固定一个插销来密封凹槽。

四、条形码

阿兹特克条码适合使用SLS进行制造。单元格的体积大小可小于1立方毫米。请注意，条形码的凸起面必须使用对比色墨水，以便在扫描仪扫描时能够或便于捕捉图像。

五、波纹管

当应用的组装或联结操作要求一定的灵活性时，可使用SLS技术来制造功能性“波纹管”。但请注意，尼龙在需要重复循环的应用情形中性能不佳，如机构中的电线和软管保护套。因此，应只考虑将尼龙用于应用中循环弯曲频率极低的波纹管。

当抗拉应力点沿横截面均匀分布时，圆形波纹管的效果最佳。在从圆形部位过渡到方形波纹管时，从圆形部位处的任何下移都会累积应力。在这种情况下，则可能必须采用不同的方法：对“Deardorff波纹管”使用类似的结构物，本质上来说，这一结构物是一系列交替交叉连接的矩形。请注意，由于角落的半径较小，此几何形状对应力集中更为敏感，因此在循环受到应力时易断裂。

六、盲板凸台

盲孔对于高效清除粉末而言是一大挑战。此处提供的解决方案就是让这些盲孔不再难以应对。只需在凸台的底座上钻一个直径大于2mm的小孔，以便让喷砂材料排出。

无需拔模，但若为自攻塑料螺钉，在设计与齿啮合的表面时最好遵循常规设计原则。

七、按键

有多种不同方法可以设计集成按钮。在按钮与按钮露出的槽或孔之间留至少0.3mm的间隙，以防它们熔在一起。由于尼龙“弹簧片”易变形到稍微下压的位置，因此还应该使用CAD对按钮进行建模，使按钮高于最终所需位置。例如，如果您希望按钮与表面齐平并按此对其进行建模，则会发现在重复按压多次之后，按钮便会低于表面。

至于弹簧片，其变形程度取决于弹簧的密度及长度和厚度。如下所示的顶部下方按钮是称为“双稳态”开关的弹簧片的一种形式。在此类情况中，按钮会抵抗，然后慢慢进入变形位置，有时会发出一声咔嗒声。

八、构架

SLS制造技术极其适用于制造许多复杂的小型塑料部件，例如电气接头和夹片。可以考

虑在CAD设计时，使用盒子围住这些小部件，以防止它们在发生故障和后处理期间丢

失。1.0mm的方形条搭配5mm以上的开口，可允许喷砂介质在构架内批量清洁部件。

在需要额外进行后处理的应用中，例如针对手术用途进行灭菌，批量部件可在构架内过

渡到不同流程。若要移除部件，可以考虑使用CAD建模设计应用于脱模区域的多个铰

链门，或者如本示例，将盖子与可使用电线剪钳剪断的四个角杆连接起来。

另一个选择是使用连接杆，这样也可以达到在某些玩具套件上使用注塑成型浇口所实

现的相似批量分组效果。

九、链

与链甲一样，设计采用SLS技术进行制造的链条会非常有趣。它也是一种非常古老的几何形状，提供了大量创造新颖有趣的形状的机会。

最早的链条是对铁条进行锤击/铸造，使其弯曲形成互相连接的环。采用SLS技术来制造链条，链条设计的唯一局限是您的想象力。您甚至可以制造自行车链条：只需在外壳与链条之间留0.3mm的间隙。

十、基本链甲

对于基本链甲，保持环的厚度大于0.75mm，环与环之间的间隙大于0.5mm。对于较大的基本链甲，可以考虑将环设计为在两个轴向上都具有多边形横截面。这样做可以缩小文件大小并加快设计过程。

在大规模复制链条之前，先花点时间对链中的单个环进行优化。可以考虑用多边形替代圆形取代，来加快对环的复制和CAD操作。

您可以像折叠布料一样折叠您的设计，以减少设计部件的体积。必须特别注意避免环叠加。

至于边界框效率，可以考虑折叠和/或叠缩大片的环阵列，以减少设计所占用的空间。

十一、复杂链甲-莫比乌斯弹性体

在设计复杂工程织物或链甲时，您的创造力是唯一局限因素。在本示例中，一个具有三面的莫比乌斯环不仅构成了一个有趣的结构物，而且形成了一个有弹性的环网，当中每个环都可以在各个方向拉伸。

可以考虑转化成板甲或锁子甲的链甲，其中环会在允许不透明和灵活性的控制区中逐渐变厚。

在每个环中加入长钉，结合可实现快速解扣和扣紧的钩子，使一些趣味十足的织物被新颖运用到时尚行业中的应用中。

十二、螺旋弹簧

关于螺旋弹簧，需要考虑的最重要的特点之一是，要在弹簧与其他物体相连部位运用大量圆角。尤其应该特别注意尖锐的尖端。

与所有材料一样，循环施加载荷时，可能很快开始出现裂缝。与弹簧片一样，螺旋弹簧的最终稳定位置会经过几次循环压缩和伸长之后才变得明显。

十三、复杂管道 - 织带

通过使用 SLS 技术来制造小批量的非结构性管道，例如用于航天和性能赛车的 ECS 管道，可以设计经高度优化的非常复杂的整体成型结构物。您不仅可以设计不同的壁厚，还可以通过应用结构经过优化的表面织带来提高强度重量比。如在传统制造技术基础上应用此细节，则成本较为昂贵。而运用 SLS 则不会因复杂性产生额外成本。

可以考虑运用 CAD 对链条穿过管道建模。完成之后，快速拉动此链条穿过管道可以为喷砂介质清理一条顺畅的通道，以在管道中具有良好清洁速度。

十四、槽型密封圈

制造“负拔模”的功能提供了一种有趣的固定柔软弹性产品(如橡胶垫圈)的方法。您可能

需要根据垫圈的具体硬度进行一些实验。通常情况下，最低宽度小于垫圈在未压缩状态

下直径10%的密封槽就可以容纳和保持住垫圈。

注意，这一原则也适用于其他弹性组件的固定，例如密封垫和按钮阵列。

十五、粘胶线

要实现无空隙的密封连接，可以通过连接交叉点处 的 CAD 建模输入/输出端口，将两部分热固性环氧 树脂真空抽吸(而不是推) 到径向通道中。对于必须保证密封的复杂连接情形而言，这是一个不错的方法。

一旦固定好之后，便无法在不破坏实体部件的情况  下将它们分离。始终将胶水真空吸入通道中。不要注 射环氧树脂，因为其可能会流向阻力最小的路径，并 可能无法完全填充连接区域周围的路径。右侧的横截面展示了胶水(黑色) 正通过检修孔被吸 入径向腔体。

十六、格栅

六边形特别针对 SLS 技术而优化，不仅仅因为它们可从根本上管理应力和蜂巢效率，也由于只需非常少的三角形(12 个) 即可以准确表达六边形。

如果使用圆形构成网格孔，预计文件大小会显著增大。

虽然相对于实心非网格部分而言，可能降低了最终部件的重量，但是由于激光现在要绘制轮廓并填充众多横截面特征，因此增加了清洁时间和系统的绘制时间。

与空心部件一样，未使用的粉末量与用于再循环的额外材料并没有非常大的关系。这是由于与部件的热暴露接近。事实上，由于需要额外绘图时间，制造网格部件的成本高于制造实心部件的成本。

十七、集成铰链

旋转梯形锥体中的球体对集成铰链有很大作用，其提供良好稳定性、精度、低摩擦和高屈服强度。在嵌入球体和铰链套之间留出最低0.2mm 的间隙。

在其他地方留 0.3mm 以上的间隙。您还将需要继续使铰链套冲出侧边。这对铰链不会有影响，但能够使得更加快速、完全地清除粉

十八、子母合页

当涉及到公差的影响时，此机械的功能与质量之间的平衡便发挥作用。若间隙太小，合页机构会焊接在一起，而间隙太大的话，合页机构会松动且不可靠。

要解决这一问题，一种方法是使用将铰链旋转到齐平位置的形式。在构建过程中，合页为脱离状态下时，公差可以为大于1mm的大公差，当公差为大约0.05mm时，合页在旋转的接合功能范围内会产生齐平、紧密且稳定的相互作用。

十九、活动铰链

活动铰链对于SLS而言更为新颖，并且在涉及到铰接时，通常不是理想的解决方案。这里要问的问题是：为什么要在能够设计和构建集成铰链的情况下构建活动铰链？

常规活动铰链的设计和优化均针对热塑塑料注塑成型材料和工艺。

对于SLS，请尽量避开活动铰链，因为SLS尼龙不具有注塑成型热塑塑料所具有的挠曲特性。这是由于工艺的分辨率—3D打印铰链必须比设计用于模塑的铰链更厚—以及尼龙在处于循环变形条件下时表现出更优性能的倾向。在具有一次性折叠使用情况的应用中，活动铰链非常有用，并且能够将组件连接在一起。

至于构建方向，尽量避免采用会与铰链的拉伸表面重合的阶梯式步骤。此外，可以考虑在弯曲尼龙之前将其浸入到沸水中10分钟进行增韧(退火)。

二十、针对安装的设计

一个拉长的连接安装点能够让您看到您所见较长部分上出现热塑性变化。每 100mm 以最低 5mm 的拉长率拉长适配孔。

二十一、晶格结构

晶格结构和其他设计为多孔的材料可使设计师仅将材料放到特定应用所需的位置。从机械工程角度来开，多孔材料所具有的一个关键优势是，其具有高强度但质量却相对较低。

这些材料具有良好能量吸收特性以及良好的隔热和隔音特性。多孔材料包括泡沫、蜂巢、晶格和类似结构。

人工构建晶格结构过程会很繁琐，因此设计师可能希望创建一个宏或程序来自动执行某些步骤，或者使用实现构建过程自动化的专用软件包。

SLS机器能够制造直径小至接近0.5mm的晶格柱。

二十二、夹扣

有许多可进行 SLS 构建的成功塑料夹扣设计。与注塑成型相比，SLS 构建方式降低了设计复杂性方面的局限，从而实现了复杂得多的夹紧、卡扣、固定和脱口释放系统。

在此示例中，“挤压脱扣”按钮机构使两个抓臂围绕一个扭力梁支点旋转。请注意，需大量使用圆角来防止断裂，以及夹紧齿的变形闭合位置来抵消初始循环蠕变的影响。

与所有经历循环变形的梁一样，您需要考虑塑料在进入最终稳定位置之前会经历的初始蠕变，这一点对于开展适用于采用SLS 构建方式的设计至关重要。

与活动铰链和弹簧片一样，可以考虑浸入沸水中 10 分钟来提高塑料的韧性和记忆。

二十三、标签

通过链条或牺牲性连接杆连接的吊牌是标记SLS部件的常用方法。3D Sprint®软件可实现以STL文件名自动标记部件。此方法在大规模定制制造应用中尤为有用。尽量将所有厚度保持在1mm以上。

请注意，在图解中，对于连接到“吊牌”连接器，杆与部件之间的连接处位于凹陷的圆角凹槽中。这样可减少对部件机械完整性的影响。此外，还需注意此用例中的卡扣点，连接杆模制有一个V形缺口。如果希望轻松控制拆卸吊牌而采用链条连接时，也可以采用与此相同的方法。

将V形缺口设置在凹陷的凹槽内，在拆卸吊牌后不会留下任何会影响装配的痕迹。

二十四、箱罐

采用SLS尼龙材料正确烧结的罐(密度大于0.98g/cc，壁厚大于1mm)能够在压力下储存液体和气体。对于腐蚀性溶剂和燃料，可以考虑使用Imprex进行渗透。通常，罐内的部件滤饼由几何形状进行固定限制并会接触额外热量，会变得非常致密并需要额外人工才能完全拆卸下来。

就风管而言，考虑采用嵌套工具，并提供粉末清除辅助工具。在这种情况下，同时结合使用杆和链条来切割材料滤饼，并将其从内部角落里拉出来。

通常情况下，链条/连杆直径大于2mm就足够了。您也可以在与空气管路相连的空心圆锥体内模制一个杆。拆下此连杆后，您就能够从下方吹出压缩空气。

二十五、设计撕裂口

采用在几何形状上物理设计一个缺口这一传统方法可以实现受控撕裂或断裂。

但是，利用SLS制造方法，您也可以有选择性地控制产品上特定区域的密度。

可以将希望其为低密度的区域使用CAD建模为单独的STL文件外壳，来实现此目的。当部件作为组件放置在机器上时，注意不要通过嵌套来分离外壳。

在机器上，减少对您希望降低密度的外壳的激光照射量。这样便可以选择性地制造低密度区域，因此对断裂的灵敏度更高。

请注意，接受较少致密化处理的材料的收缩率更小。密度较低区域会比较敏感，并且比周围密度较高区域更加不透明。

二十六、螺纹

由于 SLS 的表面处理相对粗糙，摩擦有时可能会干扰螺纹机构。

在此示例中，外螺纹被替换为“半球形”，与组件反面的凹槽对齐。

通过采用这种方法，大大降低了摩擦，同时提高了“配合屈服”。

配合屈服是指两个部件均受到相同工艺变化。SLS 对工艺变化非常敏感。

例如，当激光束偏移不正确时，正面就会较大，反面较小，从而导致加大干扰。

此示例是一个典型示例，展示了螺纹不受传统设计方法束缚，并从所需的机构功能目标中获得启发