3D打印設(shè)計(jì)指南：選擇性激光燒結(jié)技術(shù) (SLS) 應(yīng)用和設(shè)計(jì)技巧

魔猴君  知識(shí)堂   772天前

選擇性激光燒結(jié) (SLS) 3D打印技術(shù)可實(shí)現(xiàn)卓越的品質(zhì)和 生產(chǎn)力，同時(shí)為注塑成型無法實(shí)現(xiàn)的高性能設(shè)計(jì)打開了大 門。SLS 增材制造還省去了注塑成型模具的漫長(zhǎng)交付時(shí)間 和前期投資。如果從三個(gè)方面衡量成品部件：質(zhì)量、上市時(shí) 間和每立方英寸的成本，在許多情況下，工業(yè) SLS 都能提供更好的總價(jià)值主張。

本指南包含在設(shè)計(jì)為采用 SLS 技術(shù)構(gòu)建時(shí)如何確保成功構(gòu)建更優(yōu)質(zhì)部件的具體詳細(xì)信息，如軸、構(gòu)架、復(fù)雜管道、活動(dòng)鉸鏈、夾扣及其他部件。

一、軸

摩擦、擬合和粉末清除是SLS制造軸設(shè)計(jì)方面的三個(gè)因素。在靜態(tài)側(cè)(組件的“非應(yīng)力”側(cè))應(yīng)用1至2mm導(dǎo)軌來控制摩擦。導(dǎo)軌與軸管之間的間隙保持在0.3mm。若在離導(dǎo)軌較遠(yuǎn)的區(qū)域留出2mm以上的間隙，則可通過在靜態(tài)側(cè)的除粉入口吹入壓縮空氣，來輕松徹底地清除粉末。

在去除粉末時(shí)，一邊旋轉(zhuǎn)軸一邊吹入壓縮空氣，將粉末吹出軸腔。作為一種天然軸承材料，尼龍可為低負(fù)載、低速應(yīng)用提供一個(gè)順暢的低摩擦機(jī)構(gòu)。在摩擦可能產(chǎn)生熱量和導(dǎo)致磨損的更加苛刻的應(yīng)用中，可以考慮嵌入式軸承。

二、擋板 - 氣流管理

如需將安裝點(diǎn)穿過擋板，將擋板拉長(zhǎng)并形成空氣動(dòng)力學(xué)的淚滴形狀，可以減少湍流形成的位置。這樣可以提高氣流效率并降低噪音。

始終將擋板設(shè)計(jì)為緩和的圓角，以防管道的側(cè)壁裂開，尤其是在組件的應(yīng)用環(huán)境為壓力環(huán)境和/或溫度循環(huán)環(huán)境的情況下。

三、嵌入式軸承

在此示例中，我們介紹將陶瓷球軸承裝入凹槽(CAD 建模為 A、B 面之 間的一個(gè)環(huán)形腔體) 內(nèi)?？梢詫⑺醋饕粋€(gè)集成混合鉸鏈機(jī)構(gòu)。

尼龍是一種天然良好的低摩擦承載材料。但是，在您期望能夠長(zhǎng)期重 復(fù)循環(huán)承載的應(yīng)用中，將使用 CAD 建模的已經(jīng)就位的球軸承換成陶 瓷球軸承(通過檢修孔安裝)，可以得到一個(gè)非常耐用、順滑的機(jī)構(gòu)。

將所有軸承都裝入凹槽后，可固定一個(gè)插銷來密封凹槽。

四、條形碼

阿茲特克條碼適合使用SLS進(jìn)行制造。單元格的體積大小可小于1立方毫米。請(qǐng)注意，條形碼的凸起面必須使用對(duì)比色墨水，以便在掃描儀掃描時(shí)能夠或便于捕捉圖像。

五、波紋管

當(dāng)應(yīng)用的組裝或聯(lián)結(jié)操作要求一定的靈活性時(shí)，可使用SLS技術(shù)來制造功能性“波紋管”。但請(qǐng)注意，尼龍?jiān)谛枰貜?fù)循環(huán)的應(yīng)用情形中性能不佳，如機(jī)構(gòu)中的電線和軟管保護(hù)套。因此，應(yīng)只考慮將尼龍用于應(yīng)用中循環(huán)彎曲頻率極低的波紋管。

當(dāng)抗拉應(yīng)力點(diǎn)沿橫截面均勻分布時(shí)，圓形波紋管的效果最佳。在從圓形部位過渡到方形波紋管時(shí)，從圓形部位處的任何下移都會(huì)累積應(yīng)力。在這種情況下，則可能必須采用不同的方法：對(duì)“Deardorff波紋管”使用類似的結(jié)構(gòu)物，本質(zhì)上來說，這一結(jié)構(gòu)物是一系列交替交叉連接的矩形。請(qǐng)注意，由于角落的半徑較小，此幾何形狀對(duì)應(yīng)力集中更為敏感，因此在循環(huán)受到應(yīng)力時(shí)易斷裂。

六、盲板凸臺(tái)

盲孔對(duì)于高效清除粉末而言是一大挑戰(zhàn)。此處提供的解決方案就是讓這些盲孔不再難以應(yīng)對(duì)。只需在凸臺(tái)的底座上鉆一個(gè)直徑大于2mm的小孔，以便讓噴砂材料排出。

無需拔模，但若為自攻塑料螺釘，在設(shè)計(jì)與齒嚙合的表面時(shí)最好遵循常規(guī)設(shè)計(jì)原則。

七、按鍵

有多種不同方法可以設(shè)計(jì)集成按鈕。在按鈕與按鈕露出的槽或孔之間留至少0.3mm的間隙，以防它們?nèi)墼谝黄?。由于尼龍“彈簧片”易變形到稍微下壓的位置，因此還應(yīng)該使用CAD對(duì)按鈕進(jìn)行建模，使按鈕高于最終所需位置。例如，如果您希望按鈕與表面齊平并按此對(duì)其進(jìn)行建模，則會(huì)發(fā)現(xiàn)在重復(fù)按壓多次之后，按鈕便會(huì)低于表面。

至于彈簧片，其變形程度取決于彈簧的密度及長(zhǎng)度和厚度。如下所示的頂部下方按鈕是稱為“雙穩(wěn)態(tài)”開關(guān)的彈簧片的一種形式。在此類情況中，按鈕會(huì)抵抗，然后慢慢進(jìn)入變形位置，有時(shí)會(huì)發(fā)出一聲咔嗒聲。

八、構(gòu)架

SLS制造技術(shù)極其適用于制造許多復(fù)雜的小型塑料部件，例如電氣接頭和夾片?？梢钥?/span>

慮在CAD設(shè)計(jì)時(shí)，使用盒子圍住這些小部件，以防止它們?cè)诎l(fā)生故障和后處理期間丟

失。1.0mm的方形條搭配5mm以上的開口，可允許噴砂介質(zhì)在構(gòu)架內(nèi)批量清潔部件。

在需要額外進(jìn)行后處理的應(yīng)用中，例如針對(duì)手術(shù)用途進(jìn)行滅菌，批量部件可在構(gòu)架內(nèi)過

渡到不同流程。若要移除部件，可以考慮使用CAD建模設(shè)計(jì)應(yīng)用于脫模區(qū)域的多個(gè)鉸

鏈門，或者如本示例，將蓋子與可使用電線剪鉗剪斷的四個(gè)角桿連接起來。

另一個(gè)選擇是使用連接桿，這樣也可以達(dá)到在某些玩具套件上使用注塑成型澆口所實(shí)

現(xiàn)的相似批量分組效果。

九、鏈

與鏈甲一樣，設(shè)計(jì)采用SLS技術(shù)進(jìn)行制造的鏈條會(huì)非常有趣。它也是一種非常古老的幾何形狀，提供了大量創(chuàng)造新穎有趣的形狀的機(jī)會(huì)。

最早的鏈條是對(duì)鐵條進(jìn)行錘擊/鑄造，使其彎曲形成互相連接的環(huán)。采用SLS技術(shù)來制造鏈條，鏈條設(shè)計(jì)的唯一局限是您的想象力。您甚至可以制造自行車鏈條：只需在外殼與鏈條之間留0.3mm的間隙。

十、基本鏈甲

對(duì)于基本鏈甲，保持環(huán)的厚度大于0.75mm，環(huán)與環(huán)之間的間隙大于0.5mm。對(duì)于較大的基本鏈甲，可以考慮將環(huán)設(shè)計(jì)為在兩個(gè)軸向上都具有多邊形橫截面。這樣做可以縮小文件大小并加快設(shè)計(jì)過程。

在大規(guī)模復(fù)制鏈條之前，先花點(diǎn)時(shí)間對(duì)鏈中的單個(gè)環(huán)進(jìn)行優(yōu)化?？梢钥紤]用多邊形替代圓形取代，來加快對(duì)環(huán)的復(fù)制和CAD操作。

您可以像折疊布料一樣折疊您的設(shè)計(jì)，以減少設(shè)計(jì)部件的體積。必須特別注意避免環(huán)疊加。

至于邊界框效率，可以考慮折疊和/或疊縮大片的環(huán)陣列，以減少設(shè)計(jì)所占用的空間。

十一、復(fù)雜鏈甲-莫比烏斯彈性體

在設(shè)計(jì)復(fù)雜工程織物或鏈甲時(shí)，您的創(chuàng)造力是唯一局限因素。在本示例中，一個(gè)具有三面的莫比烏斯環(huán)不僅構(gòu)成了一個(gè)有趣的結(jié)構(gòu)物，而且形成了一個(gè)有彈性的環(huán)網(wǎng)，當(dāng)中每個(gè)環(huán)都可以在各個(gè)方向拉伸。

可以考慮轉(zhuǎn)化成板甲或鎖子甲的鏈甲，其中環(huán)會(huì)在允許不透明和靈活性的控制區(qū)中逐漸變厚。

在每個(gè)環(huán)中加入長(zhǎng)釘，結(jié)合可實(shí)現(xiàn)快速解扣和扣緊的鉤子，使一些趣味十足的織物被新穎運(yùn)用到時(shí)尚行業(yè)中的應(yīng)用中。

十二、螺旋彈簧

關(guān)于螺旋彈簧，需要考慮的最重要的特點(diǎn)之一是，要在彈簧與其他物體相連部位運(yùn)用大量圓角。尤其應(yīng)該特別注意尖銳的尖端。

與所有材料一樣，循環(huán)施加載荷時(shí)，可能很快開始出現(xiàn)裂縫。與彈簧片一樣，螺旋彈簧的最終穩(wěn)定位置會(huì)經(jīng)過幾次循環(huán)壓縮和伸長(zhǎng)之后才變得明顯。

十三、復(fù)雜管道 - 織帶

通過使用 SLS 技術(shù)來制造小批量的非結(jié)構(gòu)性管道，例如用于航天和性能賽車的 ECS 管道，可以設(shè)計(jì)經(jīng)高度優(yōu)化的非常復(fù)雜的整體成型結(jié)構(gòu)物。您不僅可以設(shè)計(jì)不同的壁厚，還可以通過應(yīng)用結(jié)構(gòu)經(jīng)過優(yōu)化的表面織帶來提高強(qiáng)度重量比。如在傳統(tǒng)制造技術(shù)基礎(chǔ)上應(yīng)用此細(xì)節(jié)，則成本較為昂貴。而運(yùn)用 SLS 則不會(huì)因復(fù)雜性產(chǎn)生額外成本。

可以考慮運(yùn)用 CAD 對(duì)鏈條穿過管道建模。完成之后，快速拉動(dòng)此鏈條穿過管道可以為噴砂介質(zhì)清理一條順暢的通道，以在管道中具有良好清潔速度。

十四、槽型密封圈

制造“負(fù)拔?！钡墓δ芴峁┝艘环N有趣的固定柔軟彈性產(chǎn)品(如橡膠墊圈)的方法。您可能

需要根據(jù)墊圈的具體硬度進(jìn)行一些實(shí)驗(yàn)。通常情況下，最低寬度小于墊圈在未壓縮狀態(tài)

下直徑10%的密封槽就可以容納和保持住墊圈。

注意，這一原則也適用于其他彈性組件的固定，例如密封墊和按鈕陣列。

十五、粘膠線

要實(shí)現(xiàn)無空隙的密封連接，可以通過連接交叉點(diǎn)處 的 CAD 建模輸入/輸出端口，將兩部分熱固性環(huán)氧 樹脂真空抽吸(而不是推) 到徑向通道中。對(duì)于必須保證密封的復(fù)雜連接情形而言，這是一個(gè)不錯(cuò)的方法。

一旦固定好之后，便無法在不破壞實(shí)體部件的情況  下將它們分離。始終將膠水真空吸入通道中。不要注 射環(huán)氧樹脂，因?yàn)槠淇赡軙?huì)流向阻力最小的路徑，并 可能無法完全填充連接區(qū)域周圍的路徑。右側(cè)的橫截面展示了膠水(黑色) 正通過檢修孔被吸 入徑向腔體。

十六、格柵

六邊形特別針對(duì) SLS 技術(shù)而優(yōu)化，不僅僅因?yàn)樗鼈兛蓮母旧瞎芾響?yīng)力和蜂巢效率，也由于只需非常少的三角形(12 個(gè)) 即可以準(zhǔn)確表達(dá)六邊形。

如果使用圓形構(gòu)成網(wǎng)格孔，預(yù)計(jì)文件大小會(huì)顯著增大。

雖然相對(duì)于實(shí)心非網(wǎng)格部分而言，可能降低了最終部件的重量，但是由于激光現(xiàn)在要繪制輪廓并填充眾多橫截面特征，因此增加了清潔時(shí)間和系統(tǒng)的繪制時(shí)間。

與空心部件一樣，未使用的粉末量與用于再循環(huán)的額外材料并沒有非常大的關(guān)系。這是由于與部件的熱暴露接近。事實(shí)上，由于需要額外繪圖時(shí)間，制造網(wǎng)格部件的成本高于制造實(shí)心部件的成本。

十七、集成鉸鏈

旋轉(zhuǎn)梯形錐體中的球體對(duì)集成鉸鏈有很大作用，其提供良好穩(wěn)定性、精度、低摩擦和高屈服強(qiáng)度。在嵌入球體和鉸鏈套之間留出最低0.2mm 的間隙。

在其他地方留 0.3mm 以上的間隙。您還將需要繼續(xù)使鉸鏈套沖出側(cè)邊。這對(duì)鉸鏈不會(huì)有影響，但能夠使得更加快速、完全地清除粉

十八、子母合頁

當(dāng)涉及到公差的影響時(shí)，此機(jī)械的功能與質(zhì)量之間的平衡便發(fā)揮作用。若間隙太小，合頁機(jī)構(gòu)會(huì)焊接在一起，而間隙太大的話，合頁機(jī)構(gòu)會(huì)松動(dòng)且不可靠。

要解決這一問題，一種方法是使用將鉸鏈旋轉(zhuǎn)到齊平位置的形式。在構(gòu)建過程中，合頁為脫離狀態(tài)下時(shí)，公差可以為大于1mm的大公差，當(dāng)公差為大約0.05mm時(shí)，合頁在旋轉(zhuǎn)的接合功能范圍內(nèi)會(huì)產(chǎn)生齊平、緊密且穩(wěn)定的相互作用。

十九、活動(dòng)鉸鏈

活動(dòng)鉸鏈對(duì)于SLS而言更為新穎，并且在涉及到鉸接時(shí)，通常不是理想的解決方案。這里要問的問題是：為什么要在能夠設(shè)計(jì)和構(gòu)建集成鉸鏈的情況下構(gòu)建活動(dòng)鉸鏈？

常規(guī)活動(dòng)鉸鏈的設(shè)計(jì)和優(yōu)化均針對(duì)熱塑塑料注塑成型材料和工藝。

對(duì)于SLS，請(qǐng)盡量避開活動(dòng)鉸鏈，因?yàn)?/span>SLS尼龍不具有注塑成型熱塑塑料所具有的撓曲特性。這是由于工藝的分辨率—3D打印鉸鏈必須比設(shè)計(jì)用于模塑的鉸鏈更厚—以及尼龍?jiān)谔幱谘h(huán)變形條件下時(shí)表現(xiàn)出更優(yōu)性能的傾向。在具有一次性折疊使用情況的應(yīng)用中，活動(dòng)鉸鏈非常有用，并且能夠?qū)⒔M件連接在一起。

至于構(gòu)建方向，盡量避免采用會(huì)與鉸鏈的拉伸表面重合的階梯式步驟。此外，可以考慮在彎曲尼龍之前將其浸入到沸水中10分鐘進(jìn)行增韌(退火)。

二十、針對(duì)安裝的設(shè)計(jì)

一個(gè)拉長(zhǎng)的連接安裝點(diǎn)能夠讓您看到您所見較長(zhǎng)部分上出現(xiàn)熱塑性變化。每 100mm 以最低 5mm 的拉長(zhǎng)率拉長(zhǎng)適配孔。

二十一、晶格結(jié)構(gòu)

晶格結(jié)構(gòu)和其他設(shè)計(jì)為多孔的材料可使設(shè)計(jì)師僅將材料放到特定應(yīng)用所需的位置。從機(jī)械工程角度來開，多孔材料所具有的一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)是，其具有高強(qiáng)度但質(zhì)量卻相對(duì)較低。

這些材料具有良好能量吸收特性以及良好的隔熱和隔音特性。多孔材料包括泡沫、蜂巢、晶格和類似結(jié)構(gòu)。

人工構(gòu)建晶格結(jié)構(gòu)過程會(huì)很繁瑣，因此設(shè)計(jì)師可能希望創(chuàng)建一個(gè)宏或程序來自動(dòng)執(zhí)行某些步驟，或者使用實(shí)現(xiàn)構(gòu)建過程自動(dòng)化的專用軟件包。

SLS機(jī)器能夠制造直徑小至接近0.5mm的晶格柱。

二十二、夾扣

有許多可進(jìn)行 SLS 構(gòu)建的成功塑料夾扣設(shè)計(jì)。與注塑成型相比，SLS 構(gòu)建方式降低了設(shè)計(jì)復(fù)雜性方面的局限，從而實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜得多的夾緊、卡扣、固定和脫口釋放系統(tǒng)。

在此示例中，“擠壓脫扣”按鈕機(jī)構(gòu)使兩個(gè)抓臂圍繞一個(gè)扭力梁支點(diǎn)旋轉(zhuǎn)。請(qǐng)注意，需大量使用圓角來防止斷裂，以及夾緊齒的變形閉合位置來抵消初始循環(huán)蠕變的影響。

與所有經(jīng)歷循環(huán)變形的梁一樣，您需要考慮塑料在進(jìn)入最終穩(wěn)定位置之前會(huì)經(jīng)歷的初始蠕變，這一點(diǎn)對(duì)于開展適用于采用SLS 構(gòu)建方式的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

與活動(dòng)鉸鏈和彈簧片一樣，可以考慮浸入沸水中 10 分鐘來提高塑料的韌性和記憶。

二十三、標(biāo)簽

通過鏈條或犧牲性連接桿連接的吊牌是標(biāo)記SLS部件的常用方法。3D Sprint?軟件可實(shí)現(xiàn)以STL文件名自動(dòng)標(biāo)記部件。此方法在大規(guī)模定制制造應(yīng)用中尤為有用。盡量將所有厚度保持在1mm以上。

請(qǐng)注意，在圖解中，對(duì)于連接到“吊牌”連接器，桿與部件之間的連接處位于凹陷的圓角凹槽中。這樣可減少對(duì)部件機(jī)械完整性的影響。此外，還需注意此用例中的卡扣點(diǎn)，連接桿模制有一個(gè)V形缺口。如果希望輕松控制拆卸吊牌而采用鏈條連接時(shí)，也可以采用與此相同的方法。

將V形缺口設(shè)置在凹陷的凹槽內(nèi)，在拆卸吊牌后不會(huì)留下任何會(huì)影響裝配的痕跡。

二十四、箱罐

采用SLS尼龍材料正確燒結(jié)的罐(密度大于0.98g/cc，壁厚大于1mm)能夠在壓力下儲(chǔ)存液體和氣體。對(duì)于腐蝕性溶劑和燃料，可以考慮使用Imprex進(jìn)行滲透。通常，罐內(nèi)的部件濾餅由幾何形狀進(jìn)行固定限制并會(huì)接觸額外熱量，會(huì)變得非常致密并需要額外人工才能完全拆卸下來。

就風(fēng)管而言，考慮采用嵌套工具，并提供粉末清除輔助工具。在這種情況下，同時(shí)結(jié)合使用桿和鏈條來切割材料濾餅，并將其從內(nèi)部角落里拉出來。

通常情況下，鏈條/連桿直徑大于2mm就足夠了。您也可以在與空氣管路相連的空心圓錐體內(nèi)模制一個(gè)桿。拆下此連桿后，您就能夠從下方吹出壓縮空氣。

二十五、設(shè)計(jì)撕裂口

采用在幾何形狀上物理設(shè)計(jì)一個(gè)缺口這一傳統(tǒng)方法可以實(shí)現(xiàn)受控撕裂或斷裂。

但是，利用SLS制造方法，您也可以有選擇性地控制產(chǎn)品上特定區(qū)域的密度。

可以將希望其為低密度的區(qū)域使用CAD建模為單獨(dú)的STL文件外殼，來實(shí)現(xiàn)此目的。當(dāng)部件作為組件放置在機(jī)器上時(shí)，注意不要通過嵌套來分離外殼。

在機(jī)器上，減少對(duì)您希望降低密度的外殼的激光照射量。這樣便可以選擇性地制造低密度區(qū)域，因此對(duì)斷裂的靈敏度更高。

請(qǐng)注意，接受較少致密化處理的材料的收縮率更小。密度較低區(qū)域會(huì)比較敏感，并且比周圍密度較高區(qū)域更加不透明。

二十六、螺紋

由于 SLS 的表面處理相對(duì)粗糙，摩擦有時(shí)可能會(huì)干擾螺紋機(jī)構(gòu)。

在此示例中，外螺紋被替換為“半球形”，與組件反面的凹槽對(duì)齊。

通過采用這種方法，大大降低了摩擦，同時(shí)提高了“配合屈服”。

配合屈服是指兩個(gè)部件均受到相同工藝變化。SLS 對(duì)工藝變化非常敏感。

例如，當(dāng)激光束偏移不正確時(shí)，正面就會(huì)較大，反面較小，從而導(dǎo)致加大干擾。

此示例是一個(gè)典型示例，展示了螺紋不受傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法束縛，并從所需的機(jī)構(gòu)功能目標(biāo)中獲得啟發(fā)