导读：目前，不少研究人员对悬垂面的成形质量进行了工艺及策略上的探究和优化，但缺少实际工业零件的打印验证，而使用悬垂工艺进行工业应用的研究却主要集中在流体管道等具有较小悬伸长度的零部件上。尽管国内外部分厂家已经实现了超低角度工业零件的成形，但其核心工艺都严格保密。因此，开发一种具有普遍适用性的无支撑低角度成形方法，实现大悬垂区域工业零件的有效成形，对于无支撑打印的发展及进一步突破具有重要意义。

基于以上问题，2024年2月，金石三维核心科研团队——华南理工大学杨永强教授和王迪教授等对无支撑金属打印的成形机理、样件表面质量以及成形方法的适用性进行了探究，同时使用实际工业零件进行了打印验证。相关特邀论文以题为“激光选区熔化成形低角度无支撑结构的方法与工艺研究”发表在《中国激光》期刊上。

研究人员通过DiMetal-100H低角度无支撑打印样件

为了实现选择性激光熔化（SLM）技术在无支撑低角度成形中的应用，从而提升样件的成形效率和降低打印成本，作者提出了一种基于加工层角度自适应的下表面工艺区域划分方法。该方法旨在通过自适应调整加工层角度，优化悬垂区域的成形策略，以提高样件的表面质量和整体成形的适用性。研究结果表明，能量密度的过高或过低都会对悬垂区域的多层成形产生不利影响，而采用适宜的熔化工艺对于悬垂结构的成形能够在保持低孔隙率的同时，实现多层的有效打印。

研究人员通过DiMetal-100H低角度无支撑打印样件

通过对悬垂结构的上表面、下表面及内部表面区域进行划分，并基于向下的比较层数进行区域面积调控，可以显著提高悬垂样件的制造性和结构完整性。应用下表面工艺区域面积越大，悬垂样件的成形性越好。对上下表面成形机理的深入分析显示，下表面的成形质量主要受到粘粉现象及熔池下陷造成的凸起影响，而上表面的质量不仅受到粘粉的影响，还受到阶梯效应和轮廓边界熔道间隙的影响。

最终，通过制作不同尺寸的测试样件以及最低角度为15°的叶轮零件，验证了所提出的低角度成形方法的可行性。
以下是数据概览。

下表面工艺区划分原理及不同模型下表面工艺划分结果 。（a）下表面工艺区划分原理 ；（b）对于固定倾角样件 ，不同向下比较层数 T 对下表面工艺区的影响；（c）变倾斜角度样件下表面工艺区的自适应调控

低角度成形样件模型、厚度测试点以及下表面工艺区分区。（a）成形模型；（b）厚度测试点；（c）不同向下比较层数 T 下样件的内表面工艺区和下表面工艺区

不同工艺下成形悬垂样件的形貌及分区。（a）不同工艺下成形的悬垂样件的形貌；（b）过熔样件的典型形貌；（c）适熔区样件的典型形貌；（d）欠熔样件的典型形貌

悬垂单层打印飞溅示意图及刮刀对悬垂结构的影响。（a）悬垂单层打印飞溅示意图；（b）刮刀对悬垂结构的作用

不同工艺成形悬垂样件的层间搭接。（a）过熔工艺；（b）适熔工艺；（c）欠熔工艺

样件翘曲机理及向下比较层数的影响机理。（a）翘曲样件；（b）翘曲机理；（c）T=0 时的激光作用机理；（d）T≥40 时的激光作用机理

低角度样件的上下表面形貌。（a）不开启轮廓下表面；（b）不开启轮廓上表面；（c）开启轮廓下表面；（d）开启轮廓上表面

环形叶轮模型及成形样件。（a）叶轮低于 15°倾面区域；（b）叶轮低于 45°倾面区域；（c）成形叶轮顶视图；（d）成形叶轮侧视图；（e）成形叶轮叶片上表面形貌

综上，研究人员提出了一种低角度样件的成形方法，并采用该方法实现了30°低角度样件以及最低15°叶轮样件的成形。对成形机理、样件表面质量以及成形方法的适用性进行了探究，获得了以下结论：

1）在水平悬垂样件成形过程中，过高的能量密度会使悬垂样件表面飞溅累积严重，在刮刀的作用下，样件的层间结合性会被破坏。过低的能量密度会导致熔道搭接不足，甚至无法成形。采用适熔工艺，样件能够实现多层的有效搭接。


2）在适宜的工艺条件下，下表面工艺区的划分是影响低角度样件成形的核心因素。在30°成形时，只有当向下比较层数T≥40时，样件的悬垂区域才能抵抗高能内表面激光带来的热应力变形，实现低角度打印。


3）下表面质量主要受粘粉以及熔池下陷引起的凸起的影响，而上表面除了受粘粉影响外，还会受到阶梯效应和激光扫描盲区的影响。此外，上下表面与粉末接触面积不同也是上下表面粘粉差异的主要原因。4）低角度样件成形时，随着样件厚度增加，样件变形逐渐加剧，而样件宽度的增加几乎不会对低角度样件的变形产生影响。

最后，让我们再来一起看看国内外3D打印公司对无支撑打印技术的相关研究及具体成果。

EOS公司提出了一种高能下表面曝光法，这种方法允许在不使用支撑结构的情况下，制造出10°到15°的悬垂结构。利用这一方法，EOS公司成功制造了最低角度为10°的封闭叶轮，但叶轮的下表面质量较差，粗糙度值介于25到46微米之间。这表明了在保持结构完整性的同时，如何改善表面质量仍是一大挑战。

国内的铂力特在设备、粉末材料、打印路径规划以及工艺参数调整等方面进行了深入的探索和创新，成功地形成了15°的悬垂结构，并且成功打印出了低角度的叶轮盘。此外，华曙高科采用自主研发的选择性激光熔化(SLM)少支撑技术，打印了闭式叶轮，其支撑量相比传统SLM成形叶轮减少了99.8%，而且其内外部各25°斜面结构均在无支撑情况下顺利成形。

导读：目前，不少研究人员对悬垂面的成形质量进行了工艺及策略上的探究和优化，但缺少实际工业零件的打印验证，而使用悬垂工艺进行工业应用的研究却主要集中在流体管道等具有较小悬伸长度的零部件上。尽管国内外部分厂家已经实现了超低角度工业零件的成形，但其核心工艺都严格保密。因此，开发一种具有普遍适用性的无支撑低角度成形方法，实现大悬垂区域工业零件的有效成形，对于无支撑打印的发展及进一步突破具有重要意义。

基于以上问题，2024年2月，金石三维核心科研团队——华南理工大学杨永强教授和王迪教授等对无支撑金属打印的成形机理、样件表面质量以及成形方法的适用性进行了探究，同时使用实际工业零件进行了打印验证。相关特邀论文以题为“激光选区熔化成形低角度无支撑结构的方法与工艺研究”发表在《中国激光》期刊上。

研究人员通过DiMetal-100H低角度无支撑打印样件

为了实现选择性激光熔化（SLM）技术在无支撑低角度成形中的应用，从而提升样件的成形效率和降低打印成本，作者提出了一种基于加工层角度自适应的下表面工艺区域划分方法。该方法旨在通过自适应调整加工层角度，优化悬垂区域的成形策略，以提高样件的表面质量和整体成形的适用性。研究结果表明，能量密度的过高或过低都会对悬垂区域的多层成形产生不利影响，而采用适宜的熔化工艺对于悬垂结构的成形能够在保持低孔隙率的同时，实现多层的有效打印。

研究人员通过DiMetal-100H低角度无支撑打印样件

通过对悬垂结构的上表面、下表面及内部表面区域进行划分，并基于向下的比较层数进行区域面积调控，可以显著提高悬垂样件的制造性和结构完整性。应用下表面工艺区域面积越大，悬垂样件的成形性越好。对上下表面成形机理的深入分析显示，下表面的成形质量主要受到粘粉现象及熔池下陷造成的凸起影响，而上表面的质量不仅受到粘粉的影响，还受到阶梯效应和轮廓边界熔道间隙的影响。

最终，通过制作不同尺寸的测试样件以及最低角度为15°的叶轮零件，验证了所提出的低角度成形方法的可行性。
以下是数据概览。

下表面工艺区划分原理及不同模型下表面工艺划分结果 。（a）下表面工艺区划分原理 ；（b）对于固定倾角样件 ，不同向下比较层数 T 对下表面工艺区的影响；（c）变倾斜角度样件下表面工艺区的自适应调控

低角度成形样件模型、厚度测试点以及下表面工艺区分区。（a）成形模型；（b）厚度测试点；（c）不同向下比较层数 T 下样件的内表面工艺区和下表面工艺区

不同工艺下成形悬垂样件的形貌及分区。（a）不同工艺下成形的悬垂样件的形貌；（b）过熔样件的典型形貌；（c）适熔区样件的典型形貌；（d）欠熔样件的典型形貌

悬垂单层打印飞溅示意图及刮刀对悬垂结构的影响。（a）悬垂单层打印飞溅示意图；（b）刮刀对悬垂结构的作用

不同工艺成形悬垂样件的层间搭接。（a）过熔工艺；（b）适熔工艺；（c）欠熔工艺

样件翘曲机理及向下比较层数的影响机理。（a）翘曲样件；（b）翘曲机理；（c）T=0 时的激光作用机理；（d）T≥40 时的激光作用机理

低角度样件的上下表面形貌。（a）不开启轮廓下表面；（b）不开启轮廓上表面；（c）开启轮廓下表面；（d）开启轮廓上表面

环形叶轮模型及成形样件。（a）叶轮低于 15°倾面区域；（b）叶轮低于 45°倾面区域；（c）成形叶轮顶视图；（d）成形叶轮侧视图；（e）成形叶轮叶片上表面形貌

综上，研究人员提出了一种低角度样件的成形方法，并采用该方法实现了30°低角度样件以及最低15°叶轮样件的成形。对成形机理、样件表面质量以及成形方法的适用性进行了探究，获得了以下结论：

1）在水平悬垂样件成形过程中，过高的能量密度会使悬垂样件表面飞溅累积严重，在刮刀的作用下，样件的层间结合性会被破坏。过低的能量密度会导致熔道搭接不足，甚至无法成形。采用适熔工艺，样件能够实现多层的有效搭接。


2）在适宜的工艺条件下，下表面工艺区的划分是影响低角度样件成形的核心因素。在30°成形时，只有当向下比较层数T≥40时，样件的悬垂区域才能抵抗高能内表面激光带来的热应力变形，实现低角度打印。


3）下表面质量主要受粘粉以及熔池下陷引起的凸起的影响，而上表面除了受粘粉影响外，还会受到阶梯效应和激光扫描盲区的影响。此外，上下表面与粉末接触面积不同也是上下表面粘粉差异的主要原因。4）低角度样件成形时，随着样件厚度增加，样件变形逐渐加剧，而样件宽度的增加几乎不会对低角度样件的变形产生影响。

最后，让我们再来一起看看国内外3D打印公司对无支撑打印技术的相关研究及具体成果。

EOS公司提出了一种高能下表面曝光法，这种方法允许在不使用支撑结构的情况下，制造出10°到15°的悬垂结构。利用这一方法，EOS公司成功制造了最低角度为10°的封闭叶轮，但叶轮的下表面质量较差，粗糙度值介于25到46微米之间。这表明了在保持结构完整性的同时，如何改善表面质量仍是一大挑战。

国内的铂力特在设备、粉末材料、打印路径规划以及工艺参数调整等方面进行了深入的探索和创新，成功地形成了15°的悬垂结构，并且成功打印出了低角度的叶轮盘。此外，华曙高科采用自主研发的选择性激光熔化(SLM)少支撑技术，打印了闭式叶轮，其支撑量相比传统SLM成形叶轮减少了99.8%，而且其内外部各25°斜面结构均在无支撑情况下顺利成形。