導讀：目前，不少研究人員對懸垂面的成形質(zhì)量進行了工藝及策略上的探究和優(yōu)化，但缺少實際工業(yè)零件的打印驗證，而使用懸垂工藝進行工業(yè)應用的研究卻主要集中在流體管道等具有較小懸伸長度的零部件上。盡管國內(nèi)外部分廠家已經(jīng)實現(xiàn)了超低角度工業(yè)零件的成形，但其核心工藝都嚴格保密。因此，開發(fā)一種具有普遍適用性的無支撐低角度成形方法，實現(xiàn)大懸垂區(qū)域工業(yè)零件的有效成形，對于無支撐打印的發(fā)展及進一步突破具有重要意義。

基于以上問題，2024年2月，金石三維核心科研團隊——華南理工大學楊永強教授和王迪教授等對無支撐金屬打印的成形機理、樣件表面質(zhì)量以及成形方法的適用性進行了探究，同時使用實際工業(yè)零件進行了打印驗證。相關特邀論文以題為“激光選區(qū)熔化成形低角度無支撐結構的方法與工藝研究”發(fā)表在《中國激光》期刊上。

研究人員通過DiMetal-100H低角度無支撐打印樣件

為了實現(xiàn)選擇性激光熔化（SLM）技術在無支撐低角度成形中的應用，從而提升樣件的成形效率和降低打印成本，作者提出了一種基于加工層角度自適應的下表面工藝區(qū)域劃分方法。該方法旨在通過自適應調(diào)整加工層角度，優(yōu)化懸垂區(qū)域的成形策略，以提高樣件的表面質(zhì)量和整體成形的適用性。研究結果表明，能量密度的過高或過低都會對懸垂區(qū)域的多層成形產(chǎn)生不利影響，而采用適宜的熔化工藝對于懸垂結構的成形能夠在保持低孔隙率的同時，實現(xiàn)多層的有效打印。

研究人員通過DiMetal-100H低角度無支撐打印樣件

通過對懸垂結構的上表面、下表面及內(nèi)部表面區(qū)域進行劃分，并基于向下的比較層數(shù)進行區(qū)域面積調(diào)控，可以顯著提高懸垂樣件的制造性和結構完整性。應用下表面工藝區(qū)域面積越大，懸垂樣件的成形性越好。對上下表面成形機理的深入分析顯示，下表面的成形質(zhì)量主要受到粘粉現(xiàn)象及熔池下陷造成的凸起影響，而上表面的質(zhì)量不僅受到粘粉的影響，還受到階梯效應和輪廓邊界熔道間隙的影響。

最終，通過制作不同尺寸的測試樣件以及最低角度為15°的葉輪零件，驗證了所提出的低角度成形方法的可行性。
以下是數(shù)據(jù)概覽。

下表面工藝區(qū)劃分原理及不同模型下表面工藝劃分結果 。（a）下表面工藝區(qū)劃分原理 ；（b）對于固定傾角樣件 ，不同向下比較層數(shù) T 對下表面工藝區(qū)的影響；（c）變傾斜角度樣件下表面工藝區(qū)的自適應調(diào)控

低角度成形樣件模型、厚度測試點以及下表面工藝區(qū)分區(qū)。（a）成形模型；（b）厚度測試點；（c）不同向下比較層數(shù) T 下樣件的內(nèi)表面工藝區(qū)和下表面工藝區(qū)

不同工藝下成形懸垂樣件的形貌及分區(qū)。（a）不同工藝下成形的懸垂樣件的形貌；（b）過熔樣件的典型形貌；（c）適熔區(qū)樣件的典型形貌；（d）欠熔樣件的典型形貌

懸垂單層打印飛濺示意圖及刮刀對懸垂結構的影響。（a）懸垂單層打印飛濺示意圖；（b）刮刀對懸垂結構的作用

不同工藝成形懸垂樣件的層間搭接。（a）過熔工藝；（b）適熔工藝；（c）欠熔工藝

樣件翹曲機理及向下比較層數(shù)的影響機理。（a）翹曲樣件；（b）翹曲機理；（c）T=0 時的激光作用機理；（d）T≥40 時的激光作用機理

低角度樣件的上下表面形貌。（a）不開啟輪廓下表面；（b）不開啟輪廓上表面；（c）開啟輪廓下表面；（d）開啟輪廓上表面

環(huán)形葉輪模型及成形樣件。（a）葉輪低于 15°傾面區(qū)域；（b）葉輪低于 45°傾面區(qū)域；（c）成形葉輪頂視圖；（d）成形葉輪側(cè)視圖；（e）成形葉輪葉片上表面形貌

綜上，研究人員提出了一種低角度樣件的成形方法，并采用該方法實現(xiàn)了30°低角度樣件以及最低15°葉輪樣件的成形。對成形機理、樣件表面質(zhì)量以及成形方法的適用性進行了探究，獲得了以下結論：

1）在水平懸垂樣件成形過程中，過高的能量密度會使懸垂樣件表面飛濺累積嚴重，在刮刀的作用下，樣件的層間結合性會被破壞。過低的能量密度會導致熔道搭接不足，甚至無法成形。采用適熔工藝，樣件能夠?qū)崿F(xiàn)多層的有效搭接。


2）在適宜的工藝條件下，下表面工藝區(qū)的劃分是影響低角度樣件成形的核心因素。在30°成形時，只有當向下比較層數(shù)T≥40時，樣件的懸垂區(qū)域才能抵抗高能內(nèi)表面激光帶來的熱應力變形，實現(xiàn)低角度打印。


3）下表面質(zhì)量主要受粘粉以及熔池下陷引起的凸起的影響，而上表面除了受粘粉影響外，還會受到階梯效應和激光掃描盲區(qū)的影響。此外，上下表面與粉末接觸面積不同也是上下表面粘粉差異的主要原因。4）低角度樣件成形時，隨著樣件厚度增加，樣件變形逐漸加劇，而樣件寬度的增加幾乎不會對低角度樣件的變形產(chǎn)生影響。

最后，讓我們再來一起看看國內(nèi)外3D打印公司對無支撐打印技術的相關研究及具體成果。

EOS公司提出了一種高能下表面曝光法，這種方法允許在不使用支撐結構的情況下，制造出10°到15°的懸垂結構。利用這一方法，EOS公司成功制造了最低角度為10°的封閉葉輪，但葉輪的下表面質(zhì)量較差，粗糙度值介于25到46微米之間。這表明了在保持結構完整性的同時，如何改善表面質(zhì)量仍是一大挑戰(zhàn)。

國內(nèi)的鉑力特在設備、粉末材料、打印路徑規(guī)劃以及工藝參數(shù)調(diào)整等方面進行了深入的探索和創(chuàng)新，成功地形成了15°的懸垂結構，并且成功打印出了低角度的葉輪盤。此外，華曙高科采用自主研發(fā)的選擇性激光熔化(SLM)少支撐技術，打印了閉式葉輪，其支撐量相比傳統(tǒng)SLM成形葉輪減少了99.8%，而且其內(nèi)外部各25°斜面結構均在無支撐情況下順利成形。

導讀：目前，不少研究人員對懸垂面的成形質(zhì)量進行了工藝及策略上的探究和優(yōu)化，但缺少實際工業(yè)零件的打印驗證，而使用懸垂工藝進行工業(yè)應用的研究卻主要集中在流體管道等具有較小懸伸長度的零部件上。盡管國內(nèi)外部分廠家已經(jīng)實現(xiàn)了超低角度工業(yè)零件的成形，但其核心工藝都嚴格保密。因此，開發(fā)一種具有普遍適用性的無支撐低角度成形方法，實現(xiàn)大懸垂區(qū)域工業(yè)零件的有效成形，對于無支撐打印的發(fā)展及進一步突破具有重要意義。

基于以上問題，2024年2月，金石三維核心科研團隊——華南理工大學楊永強教授和王迪教授等對無支撐金屬打印的成形機理、樣件表面質(zhì)量以及成形方法的適用性進行了探究，同時使用實際工業(yè)零件進行了打印驗證。相關特邀論文以題為“激光選區(qū)熔化成形低角度無支撐結構的方法與工藝研究”發(fā)表在《中國激光》期刊上。

研究人員通過DiMetal-100H低角度無支撐打印樣件

為了實現(xiàn)選擇性激光熔化（SLM）技術在無支撐低角度成形中的應用，從而提升樣件的成形效率和降低打印成本，作者提出了一種基于加工層角度自適應的下表面工藝區(qū)域劃分方法。該方法旨在通過自適應調(diào)整加工層角度，優(yōu)化懸垂區(qū)域的成形策略，以提高樣件的表面質(zhì)量和整體成形的適用性。研究結果表明，能量密度的過高或過低都會對懸垂區(qū)域的多層成形產(chǎn)生不利影響，而采用適宜的熔化工藝對于懸垂結構的成形能夠在保持低孔隙率的同時，實現(xiàn)多層的有效打印。

研究人員通過DiMetal-100H低角度無支撐打印樣件

通過對懸垂結構的上表面、下表面及內(nèi)部表面區(qū)域進行劃分，并基于向下的比較層數(shù)進行區(qū)域面積調(diào)控，可以顯著提高懸垂樣件的制造性和結構完整性。應用下表面工藝區(qū)域面積越大，懸垂樣件的成形性越好。對上下表面成形機理的深入分析顯示，下表面的成形質(zhì)量主要受到粘粉現(xiàn)象及熔池下陷造成的凸起影響，而上表面的質(zhì)量不僅受到粘粉的影響，還受到階梯效應和輪廓邊界熔道間隙的影響。

最終，通過制作不同尺寸的測試樣件以及最低角度為15°的葉輪零件，驗證了所提出的低角度成形方法的可行性。
以下是數(shù)據(jù)概覽。

下表面工藝區(qū)劃分原理及不同模型下表面工藝劃分結果 。（a）下表面工藝區(qū)劃分原理 ；（b）對于固定傾角樣件 ，不同向下比較層數(shù) T 對下表面工藝區(qū)的影響；（c）變傾斜角度樣件下表面工藝區(qū)的自適應調(diào)控

低角度成形樣件模型、厚度測試點以及下表面工藝區(qū)分區(qū)。（a）成形模型；（b）厚度測試點；（c）不同向下比較層數(shù) T 下樣件的內(nèi)表面工藝區(qū)和下表面工藝區(qū)

不同工藝下成形懸垂樣件的形貌及分區(qū)。（a）不同工藝下成形的懸垂樣件的形貌；（b）過熔樣件的典型形貌；（c）適熔區(qū)樣件的典型形貌；（d）欠熔樣件的典型形貌

懸垂單層打印飛濺示意圖及刮刀對懸垂結構的影響。（a）懸垂單層打印飛濺示意圖；（b）刮刀對懸垂結構的作用

不同工藝成形懸垂樣件的層間搭接。（a）過熔工藝；（b）適熔工藝；（c）欠熔工藝

樣件翹曲機理及向下比較層數(shù)的影響機理。（a）翹曲樣件；（b）翹曲機理；（c）T=0 時的激光作用機理；（d）T≥40 時的激光作用機理

低角度樣件的上下表面形貌。（a）不開啟輪廓下表面；（b）不開啟輪廓上表面；（c）開啟輪廓下表面；（d）開啟輪廓上表面

環(huán)形葉輪模型及成形樣件。（a）葉輪低于 15°傾面區(qū)域；（b）葉輪低于 45°傾面區(qū)域；（c）成形葉輪頂視圖；（d）成形葉輪側(cè)視圖；（e）成形葉輪葉片上表面形貌

綜上，研究人員提出了一種低角度樣件的成形方法，并采用該方法實現(xiàn)了30°低角度樣件以及最低15°葉輪樣件的成形。對成形機理、樣件表面質(zhì)量以及成形方法的適用性進行了探究，獲得了以下結論：

1）在水平懸垂樣件成形過程中，過高的能量密度會使懸垂樣件表面飛濺累積嚴重，在刮刀的作用下，樣件的層間結合性會被破壞。過低的能量密度會導致熔道搭接不足，甚至無法成形。采用適熔工藝，樣件能夠?qū)崿F(xiàn)多層的有效搭接。


2）在適宜的工藝條件下，下表面工藝區(qū)的劃分是影響低角度樣件成形的核心因素。在30°成形時，只有當向下比較層數(shù)T≥40時，樣件的懸垂區(qū)域才能抵抗高能內(nèi)表面激光帶來的熱應力變形，實現(xiàn)低角度打印。


3）下表面質(zhì)量主要受粘粉以及熔池下陷引起的凸起的影響，而上表面除了受粘粉影響外，還會受到階梯效應和激光掃描盲區(qū)的影響。此外，上下表面與粉末接觸面積不同也是上下表面粘粉差異的主要原因。4）低角度樣件成形時，隨著樣件厚度增加，樣件變形逐漸加劇，而樣件寬度的增加幾乎不會對低角度樣件的變形產(chǎn)生影響。

最后，讓我們再來一起看看國內(nèi)外3D打印公司對無支撐打印技術的相關研究及具體成果。

EOS公司提出了一種高能下表面曝光法，這種方法允許在不使用支撐結構的情況下，制造出10°到15°的懸垂結構。利用這一方法，EOS公司成功制造了最低角度為10°的封閉葉輪，但葉輪的下表面質(zhì)量較差，粗糙度值介于25到46微米之間。這表明了在保持結構完整性的同時，如何改善表面質(zhì)量仍是一大挑戰(zhàn)。

國內(nèi)的鉑力特在設備、粉末材料、打印路徑規(guī)劃以及工藝參數(shù)調(diào)整等方面進行了深入的探索和創(chuàng)新，成功地形成了15°的懸垂結構，并且成功打印出了低角度的葉輪盤。此外，華曙高科采用自主研發(fā)的選擇性激光熔化(SLM)少支撐技術，打印了閉式葉輪，其支撐量相比傳統(tǒng)SLM成形葉輪減少了99.8%，而且其內(nèi)外部各25°斜面結構均在無支撐情況下順利成形。