魔猴网金属3D打印设计规范

魔猴君  行业资讯   2482天前

      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。

关于魔猴网

      魔猴网是国内最大的互联网3D打印服务商，是连接用户和设计师的平台，拥有自营3D打印机300多台，分布在北京、安徽、浙江、湖北和广东，2016年打印物品超过50万件，提供从3D扫描、3D设计到后处理的一站式，全套3D数字化制造服务，覆盖包括金属、塑料、树脂等30多种打印材料。

图 金属3D打印加工服务中心

      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2033g (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。

      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；

      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；

      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。

      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；

      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。

      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。

如图所示小于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。

      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。

       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。

      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？

      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；

      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！

      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。

      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！

      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。

      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。

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来源：中国3D打印网