无支撑金属3D打印：华南理工开发出普适性的方法！

2023年，3D打印技术参考报道了多家知名金属3D打印企业已经实现SLM技术近无支撑打印，但对于如何实现，多家企业讳莫如深。近日，笔者关注到华南理工大学杨永强教授、王迪教授团队联合金石三维的研究人员在中国激光发表了一篇题为“激光选区熔化成形低角度无支撑结构的方法与工艺研究”的文章。其不仅对成形机理、样件表面质量以及成形方法的适用性进行了探究，同时使用实际工业零件进行了打印验证。

01

开发普适性的方法

打破45°的界限

由于SLM技术的热成形特性，往往需要添加支撑结构来辅助散热以及防止热应力导致的成形件翘曲，特别是在低角度样件的成形中。目前公认的SLM最佳成形角度为45°，当样件成形角度小于45°时，便需要添加支撑结构辅助成形。添加支撑结构虽然能够有效辅助零件成形，但往往伴随着打印时间和耗材的增加、后处理难度增大以及支撑面粗糙度增大等不足，而且对于一些内部镂空或者具有复杂流道的零件来说，由于其内部支撑无法去除，因而无法使用SLM技术成形。因此，开发出一种SLM成形低角度样件的成形工艺及方法对于打印成本的降低以及SLM适用范围的增加具有重要意义。

研究团队低角度无支撑打印测试样件

国内外的部分厂家虽然实现了超低角度的工业零件成形，但其核心工艺都严格保密。与此同时，在现有的研究成果中，许多高校及企业虽然都实现了低角度样件的成形，但都没有对其成形性能进行讨论。因此，开发一种具有普遍适用性的无支撑低角度成形方法，实现大悬垂区域工业零件的有效成形，对于无支撑打印的发展及进一步突破具有重要意义。

02

自适应划分工艺区域

实现低角度无支撑激光3D打印

目前，SLM成形的低角度悬垂结构主要存在两种缺陷，分别是悬垂表面粘粉挂渣和悬垂区域翘曲变形。激光能量密度对悬垂样件的成形具有较为关键的作用，过高的能量密度输入会使悬垂表面质量下降，同时会增加翘曲变形的风险，减少悬垂区域能量密度输入能有效提高成形质量。

笔者在对悬垂工艺进行探究的基础上提出了一种基于下表面划分准则成形低角度悬垂样件的方法，然后对样件的表面质量以及所提成形方法的适用性进行了探讨，最后采用该方法成形了最低角度为15°的无支撑叶轮样件，验证了所提方法的有效性。

下表面工艺区划分原理及不同模型下表面工艺划分结果。（a）下表面工艺区划分原理；（b）对于固定倾角样件，不同向下比较层数T对下表面工艺区的影响；（c）变倾斜角度样件下表面工艺区的自适应调控

样件翘曲机理及向下比较层数的影响机理：（a）翘曲样件；（b）翘曲机理；（c）T=0 时的激光作用机理；（d）T≥40 时的激光作用机理

环形叶轮模型及成形样件：（a）叶轮低于 15°倾面区域；（b）叶轮低于 45°倾面区域；（c）成形叶轮顶视图；（d）成形叶轮侧视图；（e）成形叶轮叶片上表面形貌

研究团队低角度打印的实际零件

研究团队打印的低角度少支撑实际零件

研究结论如下：

1） 在水平悬垂样件成形过程中，过高的能量密度会使悬垂样件表面飞溅累积严重，在刮刀的作用下，样件的层间结合性会被破坏。过低的能量密度会导致熔道搭接不足，甚至无法成形。采用适熔工艺，样件能够实现多层的有效搭接。

2） 在适宜的工艺条件下，下表面工艺区的划分是影响低角度样件成形的核心因素。在30°成形时，只有当向下比较层数T≥40时，样件的悬垂区域才能抵抗高能内表面激光带来的热应力变形，实现低角度打印。

3） 下表面质量主要受粘粉以及熔池下陷引起的凸起的影响，而上表面除了受粘粉影响外，还会受到阶梯效应和激光扫描盲区的影响。此外，上下表面与粉末接触面积不同也是上下表面粘粉差异的主要原因。

4） 低角度样件成形时，随着样件厚度增加，样件变形逐渐加剧，而样件宽度的增加几乎不会对低角度样件的变形产生影响。

END

总的来说，该团队提出了一种基于加工层角度自适应划分工艺区域，各区域使用对应的优化工艺参数进行打印，进而实现低角度无支撑打印的有效方法，同时对成形热影响进行了深入分析，丰富了后续学者对低角度样件成形的研究手段及方向。此外，所提基于加工层角度自适应下表面工艺区域的划分方法能够有效应对变倾斜角度模型的打印，适用于各类型样件，并已成功打印最低角度为15°的无支撑金属叶轮。