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魔猴網(wǎng)金屬3D打印設(shè)計(jì)規(guī)范

有媒體形容2016年是金屬3D打印的元年,倒不是因?yàn)榻饘?D打印是新生事物,而是金屬3D打印開始進(jìn)入主流生產(chǎn)的視線,標(biāo)志性事件就是通用一擲千金收購(gòu)的Concept Laser和Acram,投入3D打印行業(yè);國(guó)內(nèi)做金屬設(shè)備、金屬粉末的更是一窩蜂一般,一個(gè)接一個(gè),令人目接不暇。當(dāng)然還有一個(gè)重要的因素就是金屬3D打印的價(jià)格在下降,性能在提升,市場(chǎng)接受度在增加。未來金屬打印必將成為3D打印的主流,特別是SLM技術(shù)的成熟,金屬打印件的成型強(qiáng)度、性能不亞于鍛件,而金屬打印所能達(dá)到的境界卻不是傳統(tǒng)制造所能達(dá)到的。

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魔猴金屬3d打印工廠

魔猴網(wǎng)是國(guó)內(nèi)最大的互聯(lián)網(wǎng)3D打印服務(wù)商,是連接用戶和設(shè)計(jì)師的平臺(tái),擁有自營(yíng)3D打印機(jī)300多臺(tái),分布在北京、安徽、浙江、湖北和廣東,2016年打印物品超過50萬(wàn)件,提供從3D掃描、3D設(shè)計(jì)到后處理的一站式,全套3D數(shù)字化制造服務(wù),覆蓋包括金屬、塑料、樹脂等30多種打印材料。

隨著魔猴網(wǎng)客戶打印金屬的需求越來越多,魔猴網(wǎng)感覺急需普及金屬3D打印如何設(shè)計(jì)——大眾對(duì)于金屬3D打印還存在著這樣或者那樣的誤解,而廠家也有意無意夸大工藝能力。魔猴網(wǎng)也希望能通過自己的一些努力,能對(duì)大家的設(shè)計(jì)實(shí)踐工作有一定幫助,推動(dòng)金屬3D打印在中國(guó)的發(fā)展。

首先明確一點(diǎn),在談金屬3D打印生產(chǎn)的時(shí)候,不是替代生產(chǎn)已有部件,這是大眾最常見的誤解之一,生產(chǎn)已有的部件,可以說絕大多數(shù)情況金屬3D打印不占優(yōu)勢(shì);不管是機(jī)加工,鑄造,鈑金和焊接,傳統(tǒng)的工藝都非常成熟,可以由傳統(tǒng)工藝乘除的傳統(tǒng)部件,無論成本還是效率,金屬3D打印不占優(yōu)勢(shì)。當(dāng)然了,如果只是想做個(gè)原型,金屬3D打印也還是有應(yīng)用的,好處是快,而且可以用跟最終產(chǎn)品一致的材料,這是金屬3D打印的比較傳統(tǒng)應(yīng)用,我們更多想談?wù)劄榻饘?D打印生產(chǎn)的設(shè)計(jì);

那么為什么要用金屬3d打印生產(chǎn)?這就需要了解金屬3D打印設(shè)計(jì)了,金屬3D打印就是通過金屬3D打印設(shè)計(jì)來達(dá)到綜合成本降低的目的。通過金屬3D打印要達(dá)到四大目的:

  1. 減少零件的個(gè)數(shù);

  2. 減輕重量;

  3. 減少裝配;

  4. 制作高復(fù)雜零件,通過這“三減一高”來達(dá)到降低綜合成本的目的;

舉例來講,通用航空在網(wǎng)上發(fā)起了一個(gè)金屬3D打印設(shè)計(jì)大賽,原有飛機(jī)上一個(gè)零件重2033 g (如圖所示),面向公眾征集3D打印設(shè)計(jì),要求能滿足強(qiáng)度和裝配要求,越輕越好,最輕者獲勝;比賽吸引了大量網(wǎng)友的參與,3D打印最大的一個(gè)好處就是它所謂賦予的設(shè)計(jì)自由度,圖4所展示的所有的設(shè)計(jì)都滿足了原有的約束條件,都能滿足安裝和強(qiáng)度要求,還大幅減輕了重量,最后的獲勝者是圖5, 327g,幾乎是原來重量的十分之一,確切的講是是原來重量的16%! 這對(duì)于“寸重寸金”的航空業(yè)來說,無疑是一次革命;每一個(gè)減少1706g重量,相當(dāng)于每年減少幾十萬(wàn)的燃料費(fèi),減少上萬(wàn)噸的碳排放;這就是3D打印的綜合成本,不是單單制造成本,而是考慮綜合的效應(yīng),這對(duì)于減重需求強(qiáng)烈的航空業(yè)非常明顯,優(yōu)勢(shì)巨大。不僅是航空業(yè),金屬3D打印所能做的隨行冷卻模具,也有類似的綜合成本優(yōu)勢(shì),有機(jī)會(huì)魔猴在展開了給大家講一下。

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談完了重要的基本原則和目標(biāo),我們來聊一些干貨,都是金屬3D打印設(shè)計(jì)所急需的一些知識(shí),希望能給大家在設(shè)計(jì)過程中以啟迪,這些參數(shù)可能和廠家給的并不一致,多數(shù)都是實(shí)踐中得到,比方說壁厚,廠家如果說能用0.2,但實(shí)踐中0.2可能并不穩(wěn)定。另外圖中所涉及到的數(shù)字,可能和不同種類的3d打印機(jī)有一定關(guān)系,不同的設(shè)備,數(shù)值有可能不一樣,但可以說基本上不會(huì)相差太大;

首先第一點(diǎn),金屬3D打印和其他3D打印一樣,都要求3D數(shù)字文件滿足實(shí)體性、水密性等等基本要求,魔猴網(wǎng)在之前已經(jīng)有了總結(jié),不太了解的同學(xué)可以移步到3D打印設(shè)計(jì)規(guī)范,看看3D打印的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范。

再來聊一下金屬3D打印的具體要求:

1.最小細(xì)節(jié)特征

最小細(xì)節(jié)特征不小于0.15mm,也就是說小于0.15mm的特征、細(xì)節(jié),有可能會(huì)被忽略,表現(xiàn)不出來。比方說一個(gè)0.1的卡槽,盡管最小光斑可以小于0.15mm,由于細(xì)節(jié)是有特征的,特征有可能被忽略;

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2.最小壁厚

最小壁厚可以達(dá)到0.2mm,但建議不要小于0.5mm, 最小壁厚還跟物品的結(jié)構(gòu),還跟物品的高度和壁厚的比值有關(guān),一般來講這個(gè)比值不要超過40,超過40就有可能發(fā)生走形的情況;

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3.表面光潔度

表面的粗糙程度,光滑程度和三個(gè)因素有關(guān):(1)打印材料;(2)建造參數(shù);(3)零件擺放方向;

下面列表總結(jié)了幾種常見3D打印材料,在不同的打印情況下,表面粗糙度的情況,設(shè)備,形狀,擺放等等,都對(duì)表面有影響,總體來說垂直比傾斜表面好,傾斜上表面好于下表面。

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4.支持結(jié)構(gòu)

江湖一直有個(gè)傳說,使用粉末3D打印技術(shù)不需要支撐,這可能對(duì)SLS塑料是成立的,但對(duì)于金屬3D打印,支撐是需要的,而且很多時(shí)候還是必要的;金屬3D打印的支撐的主要作用有:(1)與打印平臺(tái)連接;(2)保住零件的形狀;(3)防止翹邊;

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因此,金屬3D打印有可能產(chǎn)生大量支撐結(jié)構(gòu),這就造成了兩個(gè)問題,一個(gè)就是額外的費(fèi)用,這里有個(gè)“秘密”,魔猴網(wǎng)在線報(bào)價(jià)涉及到支撐都是給的最低價(jià)格,有很多甚至直接免費(fèi)沒有算支撐,對(duì)于金屬3D打印,這對(duì)魔猴網(wǎng)來說是比較吃虧,對(duì)廣大用戶確是利好,這也許就是傳說中的“老板瘋了”;第二個(gè)就是額外的工序,主要是指去支撐,有時(shí)候支撐去的讓人懷疑人生,這畢竟是金屬支撐,不是塑料支撐,打磨也是痛苦。那怎么辦?就這么忍受嗎?其實(shí)不應(yīng)該,應(yīng)該發(fā)揮3D打印所能帶來的設(shè)計(jì)自由度,設(shè)計(jì)出來支撐很少,性能更好的部件,舉例來說,下面一個(gè)零件,傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu),如果要直接打印,產(chǎn)生支撐是非常多的,重新設(shè)計(jì)之后(右),基本上不需要支撐,強(qiáng)度更高,是用蜂窩狀結(jié)構(gòu),重量還減少。

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支撐產(chǎn)生的角度不同的設(shè)備和材料可能不一樣,多數(shù)情況下,單靠粉末來支撐傾斜角是不夠的。

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小于30度,基本上不加支撐就不能看了

5.懸空

橫截面上面一層比上一層大,就產(chǎn)生了懸空。金屬3D打印對(duì)懸空的容忍度是比較低的,大于0.5 mm的懸空就會(huì)產(chǎn)生問題。

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內(nèi)孔一般有自支撐結(jié)構(gòu),一般情況對(duì)打印影響不大,這對(duì)于生產(chǎn)隨性冷卻模具是非常有利的。但是,如果孔徑太大,也會(huì)產(chǎn)生問題。如圖所示,一般孔徑小于8mm,都可以達(dá)到自支撐的效果,大于8mm,會(huì)產(chǎn)生懸空的問題。

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6.橋接結(jié)構(gòu)

橋接結(jié)構(gòu)所允許的距離大約是2mm,還是比較小的。

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7.內(nèi)應(yīng)力-翹曲

內(nèi)應(yīng)力是金屬3D打印所必須要面對(duì)的一個(gè)問題,當(dāng)打印物品的橫截面變化很大的時(shí)候容易產(chǎn)生比較大的內(nèi)應(yīng)力,另外大面積平整表面,也會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的內(nèi)應(yīng)力,這種內(nèi)應(yīng)力非常大,可以把打印基座拉變形,甚至切斷螺栓。這需要我們?cè)谠O(shè)計(jì)的時(shí)候,避免橫截面突然由較小變到交大,要逐步過渡;另外避免使用大面積平整平面,換個(gè)思路想一下,如果需要一塊比較平整的平面,為啥要用3D打印呢?

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8.其他設(shè)計(jì)技巧

金屬3D打印非常適合打印網(wǎng)格狀的結(jié)構(gòu),這些網(wǎng)格狀的結(jié)構(gòu),很適合做內(nèi)支撐,既能減重,強(qiáng)度還能保留;

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要考慮打印完畢后支撐的去取和粉末的去除,要留出支撐和粉末去除的入口,不能打完了支撐被永久封到了內(nèi)部。

最后,給大家一個(gè)3D打印金屬設(shè)計(jì)的真是示例,大家可以體驗(yàn)一下。

第一版設(shè)計(jì):就是原始零件的設(shè)計(jì)圖, 需要三個(gè)部件來組裝,更要命的是產(chǎn)生的支撐太多!

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第二版設(shè)計(jì):零件整合,變?yōu)閮蓚€(gè)零件,但是支撐還是令人絕望,需要的時(shí)間和生產(chǎn)效率都太低。

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第三版設(shè)計(jì):三個(gè)零件最終變?yōu)橐粋€(gè)零件,不再需要裝備,而且,新的結(jié)構(gòu)幾乎不需要支撐,最后表面成型質(zhì)量還最好,而且也很好的考慮了可能產(chǎn)出的翹起,這樣打印,幾乎不可能產(chǎn)生翹起!

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總結(jié)來說,金屬3D打印開啟了全新的設(shè)計(jì)選項(xiàng),解放了設(shè)計(jì)的自由度,讓更多的設(shè)計(jì)可能變?yōu)榱爽F(xiàn)實(shí)。但是,金屬3D打印不會(huì)取代傳統(tǒng)的制造方式,各有所長(zhǎng),互為補(bǔ)充。

了解金屬3D打印的規(guī)范,才能最大程度得到金屬3D打印的好處,希望能幫助到需要金屬3D打印的朋友們,這也是魔猴網(wǎng)的一點(diǎn)小心意。