供稿|李艳梅，向丽文，蓝哲雯 / LI Yan-mei, XIANG Li-wen, LAN Zhe-wen

内容导读

3D打印在精密镂空结构成型领域具有显著优势，而镂空结构在减重方面具有重要的工程意义。采用SLM金属3D打印制作内部镂空的立方体结构块，当结构体底面结构为尺寸较小的点阵排列时，由于底面与基材接触过小而导致结构坍塌。文章在分析打印失败原因的基础上，通过改进三维模型，增加其与基材的接触面积，解决了结构坍塌的问题，使得镂空点阵结构顺利成型。文章中提出的优化策略对同类结构具有普适性。

金属3D打印，又称增材制造技术，采用激光束、电子束、等离子束等高密度能量束作为输入源，通过逐层熔化、凝固金属粉末，将数字化模型制造为实体零件的一种新型制造技术[1-2]。选区激光熔化技术(Selective Laser Melting，SLM)是金属3D打印的重要分支，在强度、精度、致密性方面表现出色，其强度接近锻件质量，尺寸精度达20～50 μm，表面粗糙度达20~30 µm，致密度接近100%，成为了增材制造体系中最具发展潜力的技术之一[3-4]。

相对于传统“减材成型技术”而言，金属打印技术在精密复杂结构零部件成型领域具有得天独厚的优势，比如多孔镂空结构[5]。而镂空结构在减重方面具有重要工程应用意义[6]。

实验用的增材制造设备为BLT-S200型激光3D成型机，如图1所示，设备最大成型尺寸100 mm×100 mm×200 mm，分层厚度20～60 μm，扫描振镜重复定位精度≤ ± 0.005 mm。实验采用316不锈钢粉作为耗材，成型镂空结构块大小为20 mm×20 mm×20mm，三维数字结构如图2所示。

模型建立和处理

本次成型，使用Magic建立三维模型，并对其进行修复；使用BP对模型进行分层、切片和前处理，分层厚度为40 μm。打印过程中，监控软件为MCS。

由于该镂空结构的空隙尺寸较小，对角线尺寸分别为: 1.710和1.199 mm，如图3所示。 BLT-S200型激光3D成型机可打印最大尺寸小于5 mm的空隙，因此该结构体无需添加支撑即可。

打印缺陷分析及优化

首次打印过程中，打印至48层时，结构体发生坍塌，如图4和图5所示。

经过分析，发现镂空结构的底面和基材接触面积过小，使基材无法支撑零件，导致零件坍塌。

通过使用Magic对模型底面进行裁减，将模型与基材的点接触优化为面接触，通过增加零件底部基材的接触面积来加固结构体，如图6所示。裁减前底部和基材接触的最小尺寸为1.5 mm，裁减后底面接触面积约是裁减前的3倍，对比见图7。优化后，镂空结构块得以顺利成型，见图8。

结束语

对于底面单元结构尺寸比较小的镂空点阵结构，在不影响内部点阵排列结构的前提下，通过三维模型的底面点阵进行适当裁减，增大底面与基材的接触面积，实现增加结构体与基材粘合力的目的，从而确保结构体顺利成型。