EOS：SLM无支撑制造的可能性和局限性
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在金属粉末床激光熔融技术（SLM）中，无支撑或减少支撑数量一直是工程师非常关注的问题。原因很明显：支撑的数量不仅会对后处理产生影响，还会增加建造时间和材料消耗。
此前，3D打印技术参考曾重点介绍EOS通过工艺控制实现大水平面无支撑制造的过程。本期，我们从设计的角度进行SLM无支撑制造的可能性与局限性分析。
▌须再次明确支撑的三个作用
传导热量、抵抗残余应力、应对刮刀冲击作用
传热：由于粉末与固体材料相比导热性低，因此必须在悬垂区域调整能量输入。在具体的制造过程中，通常也会采用下表面优化的工艺参数来缓解传热问题。
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抵抗残余应力：金属粉末床熔融技术是典型的快速熔凝的过程，尤其是相对于EBM来说，会产生极大的残余应力。应力的产生是由于局部集中的能量输入引起的温度梯度以及上层凝固层与下层已冷却层之间的温度差，已降温的部分会对温度较高的部分的变形产生抑制，从而在材料内部产生应力。与其通过提高打印温度（会增加氧气吸收）或采用特殊的扫描策略（会对机械性能或生产效率造成影响）来解决残余应力，不如通过预变形或者在可能的情况下设计成不易变形的结构来解决。
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刮刀作用力：在铺粉期间，刮刀会在零件上产生作用力。如果零件没有与构建基板连接，零件有可能会被刮刀带走。根据零件几何形状的不同，刮刀产生的作用力或大或小。对于接近极限特征的零件，可以选择使用软刮刀，但只有硬刮刀才能保证恒定层厚。实际上，可以使用硬质刮刀进行打印的零件，也可以轻松地更换软刮刀。对于探索性实验，需进行更苛刻条件下的验证，因此实验采用的是硬质高速钢刮刀。
▌无支撑结构的外层保护设计
研究人员对该解决方案的有效性进行了实验。通过设计一直径为50mm的平板以及直径50mm、高度也为50mm的倒置圆锥体，采用Amphyon进行模拟，可以清楚的看到圆锥的变形较小，它从一个点开始，在z方向上持续生长。XY方向的圆形也起到了自我稳定的作用。与倒置圆锥相比，平板在变形显著。
用Amphyon模拟z方向的变形，与圆锥相比平板的变形更为严重
减小刮刀作用力的典型解决方案是加支撑，它可以减少刮刀与零件作用产生的振动，增加打印过程的稳定性。如果进一步发展支撑的概念，则可以使用外壳来保护和稳定零件（外壳与椎体之间设置间隙）。
椎体与外壳之间设置0.2 mm的间隙，防止两者成为一体
实验锥体采用TC4于EOS M 290上打印，完成之后可以用手轻松取出。
左侧：打印的截面；右侧：打印完取下的椎体
这种设计的外壳体积远大于零件，因此，需要进一步优化以找到最好的设计。首先，不必将整个椎体全都包裹，只需在开始部分包裹一个特定区域，椎体与壳体之间的摩擦力应足以将其固定在适当的位置，即使对于高零件也是如此；另一个方案是进行零件堆叠，将前面的零件作为下一个零件的外壳。
▌增强挑战，优化设计
研究人员进行了更高级别的挑战，采用西门子NX软件设计，椎体被堆叠数层，并用nTopology软件修饰成晶格结构，做成类似圣诞树的形状，并将其倒置。这种形状可形成自支撑，底部的“树干”可充当上层“树”的外壳。由晶格形成的外壳与椎体零件在xy方向上有0.1 mm的微小重叠，可确保良好连接。
在Magics中看到的设计详细细节
对设计结构进行仿真
堆满打印平台的新设计
将零件加载到打印机后，采用优化的参数进行打印，以确保可建造性和生产率。从结果可以看出，打印过程稳定，锥形零件成功打印。
分析讨论
从EOS的研究可以看出，外部辅助结构通过与实体零件的有限性晶格结构连接实现零件固定，这为工程师的支撑设计提供了一种思路。很明显，EOS正在通过结构设计与工艺调整相结合的方式实现SLM无支撑结构的制造，这与我们之前曾介绍的EOS对大水平面无支撑工艺探索相呼应，实际上，这两项研究是由同一个工程师所主导。
通过工艺调整实现极限斜面成型
关于支撑是否是SLM技术天花板的讨论，仁者见仁智者见智，但目前我们确实看到了VELO3D公司已经实现了较好的无支撑打印效果。除此之外，无论国内还是国外的传统SLM设备商，也正在陆续攻克此前的制造极限，这主要体现在对于倾斜角度的打印上。通过工艺的调整，在无支撑的情况下可以轻松实现15度斜面的打印等。未来，我们相信随着SLM技术在线监控和工艺实时调整技术的进步，无支撑打印，或许能够普及。
