3D打印設計指南：選擇性激光燒結(jié)技術(shù) (SLS) 應用和設計技巧
魔猴君 知識堂 719天前
選擇性激光燒結(jié) (SLS) 3D打印技術(shù)可實現(xiàn)卓越的品質(zhì)和 生產(chǎn)力，同時為注塑成型無法實現(xiàn)的高性能設計打開了大 門。SLS 增材制造還省去了注塑成型模具的漫長交付時間 和前期投資。如果從三個方面衡量成品部件：質(zhì)量、上市時 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值主張。
本指南包含在設計為采用 SLS 技術(shù)構(gòu)建時如何確保成功構(gòu)建更優(yōu)質(zhì)部件的具體詳細信息，如軸、構(gòu)架、復雜管道、活動鉸鏈、夾扣及其他部件。
一、軸
摩擦、擬合和粉末清除是SLS制造軸設計方面的三個因素。在靜態(tài)側(cè)(組件的“非應力”側(cè))應用1至2mm導軌來控制摩擦。導軌與軸管之間的間隙保持在0.3mm。若在離導軌較遠的區(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，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，尼龍可為低負載、低速應用提供一個順暢的低摩擦機構(gòu)。在摩擦可能產(chǎn)生熱量和導致磨損的更加苛刻的應用中，可以考慮嵌入式軸承。
二、擋板 - 氣流管理
如需將安裝點穿過擋板，將擋板拉長并形成空氣動力學的淚滴形狀，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。
始終將擋板設計為緩和的圓角，以防管道的側(cè)壁裂開，尤其是在組件的應用環(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 間的一個環(huán)形腔體) 內(nèi)?？梢詫⑺醋饕粋€集成混合鉸鏈機構(gòu)。
尼龍是一種天然良好的低摩擦承載材料。但是，在您期望能夠長期重 復循環(huán)承載的應用中，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)，可以得到一個非常耐用、順滑的機構(gòu)。
將所有軸承都裝入凹槽后，可固定一個插銷來密封凹槽。
四、條形碼
阿茲特克條碼適合使用SLS進行制造。單元格的體積大小可小于1立方毫米。請注意，條形碼的凸起面必須使用對比色墨水，以便在掃描儀掃描時能夠或便于捕捉圖像。
五、波紋管
當應用的組裝或聯(lián)結(jié)操作要求一定的靈活性時，可使用SLS技術(shù)來制造功能性“波紋管”。但請注意，尼龍在需要重復循環(huán)的應用情形中性能不佳，如機構(gòu)中的電線和軟管保護套。因此，應只考慮將尼龍用于應用中循環(huán)彎曲頻率極低的波紋管。
當抗拉應力點沿橫截面均勻分布時，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，從圓形部位處的任何下移都會累積應力。在這種情況下，則可能必須采用不同的方法：對“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。請注意，由于角落的半徑較小，此幾何形狀對應力集中更為敏感，因此在循環(huán)受到應力時易斷裂。
六、盲板凸臺
盲孔對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對。只需在凸臺的底座上鉆一個直徑大于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，在設計與齒嚙合的表面時最好遵循常規(guī)設計原則。
七、按鍵
有多種不同方法可以設計集成按鈕。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，因此還應該使用CAD對按鈕進行建模，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其進行建模，則會發(fā)現(xiàn)在重復按壓多次之后，按鈕便會低于表面。
至于彈簧片，其變形程度取決于彈簧的密度及長度和厚度。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，按鈕會抵抗，然后慢慢進入變形位置，有時會發(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雜的小型塑料部件，例如電氣接頭和夾片?？梢钥?/span>
慮在CAD設計時，使用盒子圍住這些小部件，以防止它們在發(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。
在需要額外進行后處理的應用中，例如針對手術(shù)用途進行滅菌，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建模設計應用于脫模區(qū)域的多個鉸
鏈門，或者如本示例，將蓋子與可使用電線剪鉗剪斷的四個角桿連接起來。
另一個選擇是使用連接桿，這樣也可以達到在某些玩具套件上使用注塑成型澆口所實
現(xiàn)的相似批量分組效果。
九、鏈
與鏈甲一樣，設計采用SLS技術(shù)進行制造的鏈條會非常有趣。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會。
最早的鏈條是對鐵條進行錘擊/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，鏈條設計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。對于較大的基本鏈甲，可以考慮將環(huán)設計為在兩個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計過程。
在大規(guī)模復制鏈條之前，先花點時間對鏈中的單個環(huán)進行優(yōu)化。可以考慮用多邊形替代圓形取代，來加快對環(huán)的復制和CAD操作。
您可以像折疊布料一樣折疊您的設計，以減少設計部件的體積。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，以減少設計所占用的空間。
十一、復雜鏈甲-莫比烏斯彈性體
在設計復雜工程織物或鏈甲時，您的創(chuàng)造力是唯一局限因素。在本示例中，一個具有三面的莫比烏斯環(huán)不僅構(gòu)成了一個有趣的結(jié)構(gòu)物，而且形成了一個有彈性的環(huán)網(wǎng)，當中每個環(huán)都可以在各個方向拉伸。
可以考慮轉(zhuǎn)化成板甲或鎖子甲的鏈甲，其中環(huán)會在允許不透明和靈活性的控制區(qū)中逐漸變厚。
在每個環(huán)中加入長釘，結(jié)合可實現(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用到時尚行業(yè)中的應用中。
十二、螺旋彈簧
關(guān)于螺旋彈簧，需要考慮的最重要的特點之一是，要在彈簧與其他物體相連部位運用大量圓角。尤其應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，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)定位置會經(jīng)過幾次循環(huán)壓縮和伸長之后才變得明顯。
十三、復雜管道 - 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，可以設計經(jīng)高度優(yōu)化的非常復雜的整體成型結(jié)構(gòu)物。您不僅可以設計不同的壁厚，還可以通過應用結(jié)構(gòu)經(jīng)過優(yōu)化的表面織帶來提高強度重量比。如在傳統(tǒng)制造技術(shù)基礎(chǔ)上應用此細節(jié)，則成本較為昂貴。而運用 SLS 則不會因復雜性產(chǎn)生額外成本。
可以考慮運用 CAD 對鏈條穿過管道建模。完成之后，快速拉動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)墊圈的具體硬度進行一些實驗。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
要實現(xiàn)無空隙的密封連接，可以通過連接交叉點處 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。對于必須保證密封的復雜連接情形而言，這是一個不錯的方法。
一旦固定好之后，便無法在不破壞實體部件的情況 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，因為其可能會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 SLS 技術(shù)而優(yōu)化，不僅僅因為它們可從根本上管理應力和蜂巢效率，也由于只需非常少的三角形(12 個) 即可以準確表達六邊形。
如果使用圓形構(gòu)成網(wǎng)格孔，預計文件大小會顯著增大。
雖然相對于實心非網(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，因此增加了清潔時間和系統(tǒng)的繪制時間。
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。事實上，由于需要額外繪圖時間，制造網(wǎng)格部件的成本高于制造實心部件的成本。
十七、集成鉸鏈
旋轉(zhuǎn)梯形錐體中的球體對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。這對鉸鏈不會有影響，但能夠使得更加快速、完全地清除粉
十八、子母合頁
當涉及到公差的影響時，此機械的功能與質(zhì)量之間的平衡便發(fā)揮作用。若間隙太小，合頁機構(gòu)會焊接在一起，而間隙太大的話，合頁機構(gòu)會松動且不可靠。
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，公差可以為大于1mm的大公差，當公差為大約0.05mm時，合頁在旋轉(zhuǎn)的接合功能范圍內(nèi)會產(chǎn)生齊平、緊密且穩(wěn)定的相互作用。
十九、活動鉸鏈
活動鉸鏈對于SLS而言更為新穎，并且在涉及到鉸接時，通常不是理想的解決方案。這里要問的問題是：為什么要在能夠設計和構(gòu)建集成鉸鏈的情況下構(gòu)建活動鉸鏈？
常規(guī)活動鉸鏈的設計和優(yōu)化均針對熱塑塑料注塑成型材料和工藝。
對于SLS，請盡量避開活動鉸鏈，因為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打印鉸鏈必須比設計用于模塑的鉸鏈更厚—以及尼龍在處于循環(huán)變形條件下時表現(xiàn)出更優(yōu)性能的傾向。在具有一次性折疊使用情況的應用中，活動鉸鏈非常有用，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分鐘進行增韌(退火)。
二十、針對安裝的設計
一個拉長的連接安裝點能夠讓您看到您所見較長部分上出現(xiàn)熱塑性變化。每 100mm 以最低 5mm 的拉長率拉長適配孔。
二十一、晶格結(jié)構(gòu)
晶格結(jié)構(gòu)和其他設計為多孔的材料可使設計師僅將材料放到特定應用所需的位置。從機械工程角度來開，多孔材料所具有的一個關(guān)鍵優(yōu)勢是，其具有高強度但質(zhì)量卻相對較低。
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)過程會很繁瑣，因此設計師可能希望創(chuàng)建一個宏或程序來自動執(zhí)行某些步驟，或者使用實現(xiàn)構(gòu)建過程自動化的專用軟件包。
SLS機器能夠制造直徑小至接近0.5mm的晶格柱。
二十二、夾扣
有許多可進行 SLS 構(gòu)建的成功塑料夾扣設計。與注塑成型相比，SLS 構(gòu)建方式降低了設計復雜性方面的局限，從而實現(xiàn)了復雜得多的夾緊、卡扣、固定和脫口釋放系統(tǒng)。
在此示例中，“擠壓脫扣”按鈕機構(gòu)使兩個抓臂圍繞一個扭力梁支點旋轉(zhuǎn)。請注意，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入最終穩(wěn)定位置之前會經(jīng)歷的初始蠕變，這一點對于開展適用于采用SLS 構(gòu)建方式的設計至關(guān)重要。
與活動鉸鏈和彈簧片一樣，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、標簽
通過鏈條或犧牲性連接桿連接的吊牌是標記SLS部件的常用方法。3D Sprint?軟件可實現(xiàn)以STL文件名自動標記部件。此方法在大規(guī)模定制制造應用中尤為有用。盡量將所有厚度保持在1mm以上。
請注意，在圖解中，對于連接到“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。這樣可減少對部件機械完整性的影響。此外，還需注意此用例中的卡扣點，連接桿模制有一個V形缺口。如果希望輕松控制拆卸吊牌而采用鏈條連接時，也可以采用與此相同的方法。
將V形缺口設置在凹陷的凹槽內(nèi)，在拆卸吊牌后不會留下任何會影響裝配的痕跡。
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)能夠在壓力下儲存液體和氣體。對于腐蝕性溶劑和燃料，可以考慮使用Imprex進行滲透。通常，罐內(nèi)的部件濾餅由幾何形狀進行固定限制并會接觸額外熱量，會變得非常致密并需要額外人工才能完全拆卸下來。
就風管而言，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)模制一個桿。拆下此連桿后，您就能夠從下方吹出壓縮空氣。
二十五、設計撕裂口
采用在幾何形狀上物理設計一個缺口這一傳統(tǒng)方法可以實現(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建模為單獨的STL文件外殼，來實現(xiàn)此目的。當部件作為組件放置在機器上時，注意不要通過嵌套來分離外殼。
在機器上，減少對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，因此對斷裂的靈敏度更高。
請注意，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 的表面處理相對粗糙，摩擦有時可能會干擾螺紋機構(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齊。
通過采用這種方法，大大降低了摩擦，同時提高了“配合屈服”。
配合屈服是指兩個部件均受到相同工藝變化。SLS 對工藝變化非常敏感。
例如，當激光束偏移不正確時，正面就會較大，反面較小，從而導致加大干擾。
此示例是一個典型示例，展示了螺紋不受傳統(tǒng)設計方法束縛，并從所需的機構(gòu)功能目標中獲得啟發(fā)
