改善金属3D打印零件的8个设计技巧
www.amreference.com金属零件的设计与塑料零件有很大不同，由于粉末床熔融技术的特殊性，金属零件的设计存在一些固有约束，我们不仅要考虑零件的强度、质量、复杂性，还要考虑零件的表面质量以及后处理的难易程度。对于金属打印尤其是粉末床技术，需要遵循一定的设计技巧。
本期，我们分享来自全球快速成型、快速工具及小批量生产商Star Rapid的金属打印设计技巧。
1.采用晶格结构减轻重量并保持强度
晶格结构有助于在保持强度的同时，从实心部分去除大量材料。为此，Star Rapid使用仿真分析软件来计算和去除不必要的材料，这些去除的材料实际上并不会增加零件的机械性能。晶格结构保留了零件的最终外观，采用3D打印制造也是轻而易举。
晶格结构能够减轻重量
2.确定最小特征壁厚
薄壁和立柱的尺寸如果过小，就可能因为太接近打印机的最小公差而丢失分辨率。对于粉末床激光熔融技术，应当考虑光斑尺寸的限制（通常情况下光斑尺寸大于粉末粒径），激光在扫描过程中，会形成大于光斑尺寸的熔池。Star Rapid使用的打印机光斑尺寸为75μm，可生产低至150-200µm的壁厚，这意味着壁厚至少两倍于光斑直径。通常工程师会建议大于此值，不仅是为了保持强度，还因为特征尺寸越小越容易变形。
薄壁结构需要有足够的厚度尺寸以避免变形
3.利用随形冷却
随形冷却流道是3D打印的一大优势。由于流道与模具型腔表面距离一致，可以大大提高冷却效率和成品零件的质量。
根据模具的具体使用需要设计流道分布
4.管理倾斜角度
如果倾斜面与水平面夹角过小，则可能造成塌缩。通常45°以下就需要添加支撑，如果是非关键角度，最好将倾斜角度超过临界值。
倾斜角度越大，下表面质量越好
5.管理孔径
在打印过程中，垂直孔的上端可能会变形甚至塌陷，通常孔径在10毫米以内不需要添加支撑。孔径对于内部连续管道来说是非常重要的设计考虑因素，如果添加了支撑就会面临无法去除的问题，而且还需考虑实际的顶部挂渣等质量问题。
注意圆孔顶部变形
6.利用可运动属性
3D打印的另一个独特优势是，可以构建能够自由运动的嵌套形状。这为复杂的下一代机电设备，甚至珠宝造型开辟了全新的设计世界，而这些都是其他方式无法制造的。
可以内置不定数量的运动部件
7.桥接结构
桥接的间隙就像是实体部分的切口，如果具有水平的悬空面，就要考虑顶部边缘变形。处理此类特征的一种方法是将水平的悬空面设计为拱形或尖顶，使其具备自支撑功能，从而防止变形甚至打印失败。
3D打印桥接结构，采用拱形或尖顶代替水平面
8.悬垂结构保持在0.5mm以下
悬垂是从构建方向横向突出的特征。这里需要关注的是下表面区域，如果悬垂伸出0.5mm或更大，则该区域可能会塌陷。
3D打印的悬垂细节
有几种方法可以避免这种问题，采用凹形、凸形或倒圆角重新设计侧面和垂直面之间的角度，以便形成自支撑。如果悬垂部分太长，倒圆角的自支撑仍不够时，就需要添加垂直支撑。
316L不锈钢在打印完后的抛光效果
关于金属打印极限特征约束的增设计方法，我们此前也曾分析，区别在于本文的总结来源于实际的生产商，此前是由学院派进行总结，有兴趣的读者可以对比着看。
