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设计指南

3D 打印设计 SLS:车间里站得住脚的规则

本指南讲的是选择性激光烧结中真正约束零件的因素:壁厚、孔径、公差、清粉和表面处理。面向设计和制造工程师,帮助他们交付可直接打印的文件,并判断什么时候不该选 SLS。

PA12 / PA11无需支撑结构0.1 mm 层厚12 小时出 DFM
3D 打印
概述

SLS 能做什么、不能做什么

SLS 用激光逐层熔化粉末,周围粉末自然支撑零件。这一条决定了下面所有设计规则。

工艺基础

粉床如何改变你的几何设计

选择性激光烧结在加热的粉床中成型零件。激光逐层扫描截面并熔化聚合物,然后由辊子铺下一层。未熔化的粉末始终包住零件,所以悬垂和内通道不需要专门支撑。

成型腔温度略低于聚合物熔点,零件缓慢冷却,内应力比快速熔化再凝固的工艺低。因此 SLS 零件很少像大平面 FDM 打印那样翘曲。

代价体现在两处。你做出的每个空腔都必须清粉;外表面贴着松散粉末成型,不是光滑模具面,所以始终略带颗粒感。设计决策要从这里出发。

  • 1
    无需去支撑与竖直方向约 45° 以内的悬垂可直接打印,不需额外几何。
  • 2
    粉末排出通道每个封闭空腔至少留两个开口,让积粉排出。
  • 3
    层方向成型方向会影响孔的圆度和竖直面的表面纹理。
壁厚

壁厚、凸台和薄特征

壁厚小于 0.8 mm 能打印,但会发软,边缘可能卷曲。对 PA12,承力壁的实际下限是 1.0 mm,需要手持的零件用 1.5 到 2.0 mm 比较稳妥。实心截面超过 4 mm 开始积热,芯部变硬变脆的风险上升。

螺钉周围的凸台要更小心。凸台壁小于 1.2 mm 时,拧入自攻螺钉可能开裂。凸台外径约为螺钉直径的 2 倍,底部加圆角,不要留尖角。

加强筋可以比壁薄,因为它有一边受支撑。0.8 到 1.0 mm 的筋、0.5 mm 端部圆角,通常能经受搬运。筋端太尖会形成激光无法干净熔化的薄片。

特征限制

PA12 中常见的 SLS 设计限制

以下数值是尼龙粉末的实用限制,不是工艺绝对极限。更紧的数值通常需要机加工或后处理特征。

特征实用最小值备注
壁厚0.8 mm手持零件 1.0–2.0 mm
筋厚0.8 mm加 0.5 mm 端部圆角
凸台壁1.2 mm凸台外径约为螺钉直径 2 倍
竖直孔1.0 mm小于 1.5 mm 可能堵死
水平孔1.5 mm孔径越小椭圆度越大
盲孔深度5 × 直径更深会积粉
卡扣间隙0.3 mm首次成型后调整
螺纹嵌件底孔按嵌件规格热熔安装加 0.1–0.15 mm
孔与公差

孔、间隙以及可预期的公差

小孔会烧结闭合。竖直方向 Ø1.0 mm 孔常偏小或堵住,Ø2.0 mm 孔能保持通畅且圆度尚可。配合较松时孔径多给 0.1 到 0.2 mm;要与精密销配合的孔,预期需要铰孔或钻孔。

水平成型的孔会变椭圆,因为圆顶部贴着粉末成型,略有下垂。Ø5 mm 水平孔预期有 0.1 到 0.2 mm 椭圆度。把关键孔转到竖直方向,通常比任何公差标注都管用。

PA12 的 SLS 一般公差约为 ±0.3 mm,长尺寸按 ±0.3%,取较大者。这是整件的工作值,不是单个特征的承诺。不要按机加工件的方式标注 SLS 零件。

  • 1
    配合面两个相对滑动的 SLS 零件之间留 0.3–0.5 mm 间隙。
  • 2
    压配合不要用。打印留大余量,再机加工内孔。
  • 3
    基准选择选平面,不要选朝粉末的曲面。
精加工

清粉、后处理和封闭体积

封闭空腔是零件在清粉工位被退回的最常见原因。密封空腔把粉末留在里面,增加死重,日后还可能漏粉。任何空腔在对侧两端各开一个口,让压缩空气和振动能清出粉末。只开一个口基本无效。

流体或走线的内通道最小内孔 Ø2 mm,过渡要平滑。通道内 90° 尖角会积粉。通道转弯处圆角半径至少等于通道直径。

烧结态表面约为 Ra 10 到 15 μm,手感像细砂纸。喷砂能降低粗糙度并均匀颜色。要求更细时,我们在打印后用 CNC 加工关键面,这些特征也能保持 ±0.005 mm。零件需要特定外观时,可做染色、封孔和滚光。

工艺选择

SLS 何时优于 CNC,何时不优

几何形状有机、带内通道,或在铣床上需要五次装夹时,SLS 占优。需要十件支架且不想开模时也占优。复杂几何按件计价,与同等体积的简单方块相同。

某个面必须平整精确、材料必须是铝、钢或 PEEK,或零件是简单棱柱形时,CNC 占优。这类零件机加工往往比打印便宜,公差还紧一个数量级。

功能原型常用混合路线:用 PA12 打印主体验证配合和人机工程,再用三轴或五轴铣床加工承力嵌件或密封面。这样只在需要的地方保留昂贵公差。

  • 1
    选 SLS点阵、内通道、倒扣、小批量复制件。
  • 2
    选 CNC平面密封面、精密内孔、金属件、简单形状。
  • 3
    两者结合打印主体加机加工嵌件或密封面。
常见问题

工程师在发布文件前常问的问题

PA12 的 SLS 最小壁厚是多少?

0.8 mm 是实际下限。能打印出来,但会变形,边缘可能卷曲。承重或经常手持的壁厚保持在 1.0 mm 以上。多数量产件在 1.5 到 2.0 mm 之间。

SLS 零件需要支撑结构吗?

不需要。未熔化的粉床支撑所有悬垂,没有东西需要切除。所以内部通道和嵌套结构在 SLS 中容易实现,在 FDM 或 SLA 中则很麻烦。

SLS 零件能标注多紧的公差?

按约 ±0.3 mm 或长尺寸的 ±0.3% 规划,取较大者。小孔和薄特征偏差更大。若某特征需要 ±0.05 mm,先打印留量,再机加工。

为什么封闭空腔会残留粉末?

密封空腔没有出口。在空腔相对两侧至少加两个开口,尺寸 Ø2 mm 或更大。若空腔无功能,改为实心。超过 4 mm 的实心区域会积热,厚区要适度。

SLS 零件可以攻丝或做螺纹吗?

PA12 直接攻丝强度低,容易滑牙。用自攻螺钉拧入凸台,壁厚至少 1.2 mm,或设计内孔用于热熔嵌件。热熔嵌件内孔通常需多 0.1 到 0.15 mm 直径,便于压入。

打印出来是什么表面状态?

烧结态尼龙约 Ra 10 到 15 μm,呈哑光、略带颗粒感。喷砂可使其光滑并均匀颜色。需要光滑平整的面,打印后机加工,该面可控制到 ±0.005 mm。

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