金属3D打印收缩线的产生原因、危害及预测方法

在激光粉末床熔融金属3D打印过程中，当零件在建造方向上的横截面积发生剧烈变化时，在零件外表面会形成凹陷形缺陷，它被称为收缩线、收缩棱或变截面收缩棱。

相关研究证实，这种缺陷不仅影响产品外观和尺寸精度，还会降低疲劳寿命。收缩线处的显微硬度会降低2%-9%，对疲劳性能敏感的应用需要特别关注。

而笔者在向国内头部企业的工程师请教时发现，如用户对产品的尺寸、性能要求很高，就得想办法避免它的出现。而如果没有办法规避，就要想办法补偿。

收缩线的产生与两种情形相关。

首先是打印中断。这种情况造成零件的热历史不持续，零件经历了冷却后再被加热，在续接位置累积应力引发了变形。

另一种则与结构特征相关。当相邻层的截面积出现剧烈突变时，热梯度、能量输入与散热以及冷却收缩时的向内扭曲等因素，都会造成收缩线的产生。

对于第二种情形，能否凭借截面变化就能判断收缩线的位置？研究显示，当相邻层的截面积变化超过约15%时，就会形成收缩线。对于简单结构，这或许容易判断，但对于复杂结构，尤其是那些合并了大量零件的一体化结构，零件内部是否会产生收缩线就很难或全面的判断。

因此，靠人力或经验判断收缩线的位置就存在一定困难。

笔者注意到，国内3D打印数据准备软件开发商漫格科技表示，其推出的VoxelDance Engineering工艺仿真模块，能够预测收缩线的位置。

该仿真模块在虚拟环境中重建了打印过程的温度场与应力场。其可在关键位置对网格进行细化，对实体与支撑分别设置不同材料参数，真实反应热传导与力学响应差异。

笔者从给出的仿真结果发现，截面出现剧烈变化处，上下部零件的应力云图明显不同，这预示着在此处将会出现收缩线。而实际打印的结果，与仿真结果相吻合。

仿真可以让工程师提前了解甚至理解金属3D打印过程中的热力学变化，如温度如何分布，热量如何累积，应力如何产生与释放等。

仿真的结果将帮助工程师优化设计和调整打印方案。如调整结构使应力分布更均匀，采用不同的扫描策略来优化热应力分布，还有调整零件摆放方向，规避收缩线等。

这些决策大大增加打印成功率，且这种方式并不建立在过度依赖工程师的经验，而是仿真结果上的。

漫格表示，其仿真模块就是为了解决打印过程中易出现的问题而开发。

它还使用了GPU并行加速技术，相比传统的有限元（FEA）求解器运算效率实现了5-10倍的提升。这也使得仿真不必经历漫长的等待，工程师可以在极短的时间内完成高精度的工艺验证。

据笔者了解，漫格VoxelDance Additive软件整合了设计、工艺仿真与制造模块，数据流转无需反复导出与导入，可直接根据仿真结果在同一平台中实现设计迭代与再仿真，这也使得工作效率更高。

注：本文由3D打印技术参考创作，未经联系授权，谢绝转载。#增材制造 #3D打印