增材制造 面向高分子粉末床激光熔融设计要求

ICS

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T/GAMA

团体标准

T/GAMA××××—2020

代替T/

增材制造面向高分子粉末床激光熔融设计

要求

点击此处添加标准英文译名

等同采用ISO/ASTM52911-2:2019(E)Additivemanufacturing—Design—

Part2:Laser-basedpowderbedfusionofpolymers

（征求意见稿）

（本稿完成日期：20200623）

××××-××-××发布××××-××-××实施

广东省增材制造协会发布

T/GAMA××××—2020

前言

本标准按照GB/T1.1—2020给出的规则起草。

本标准等同采用ISO/ASTM52911-2:2019(E)Additivemanufacturing—Design—Part2:

Laser-basedpowderbedfusionofpolymers

本标准由广东省增材制造协会提出并归口。

本标准起草单位：广东省标准化研究院、

本标准主要起草人：何旻哲、王杰、

II

T/GAMA××××—2020

增材制造面向高分子粉末床激光熔融设计要求

1范围

本标准列举了聚合物粉末床激光熔融工艺的特征，并提供了详细的设计建议。

在适当考虑工艺固有特征的前提下，某些基本原理也适用于其他增材制造工艺。

通过汇总相关知识和扩展ISO/ASTM52910的范围，本标准还提供了与粉末床融熔工艺使用相关的设

计指南最新进展情况。

2规范性引用文件

下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本文件。

凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。

ISO/ASTM52900,Additivemanufacturing—Generalprinciples—Fundamentalsand

vocabulary

3术语和定义

ISO/ASTM52900界定的以及下列术语和定义适用于本文件。

3.1

下表面（D）downskinarea

法向量在z轴上的投影为负的（子）区域，如图1所示。

3.2

下表面角（δ）downskinangle

成形平台的平面与下表面（3.2）之间的角度，数值介于0°（平行于成形平台）和90°（垂直于成

形平台）之间，如图1所示。

3.3

上表面（U）upskinarea

法向量在z轴上的投影为正的（子）区域，如图1所示1。

3.4

上表面角（ν）upskinangle

成形平台的平面与上表面（3.4）之间的角度，数值介于0°（平行于成形平台）和90°（垂直于成

形平台）之间，如图1所示。

1

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图1

4符号和缩略语

4.1符号

表1所示的符号适用于本文件。

表1符号

符号名称单位

a悬臂mm

D下表面mm2

I岛状突起mm2

法向量-

Ra平均粗糙度μm

Rz平均表面粗糙度μm

U上表面mm2

δ下表面角°

ν上表面角°

4.2缩略语

下列缩略语适用于本文件。

AM：增材制造（additivemanufacturing）

AMF：增材制造文件格式（additivemanufacturingfileformat)

CT：计算机断层扫描（computedtomography）

DICOM：医学数字成像和通信（digitalimagingandcommunicationsinmedicine）

CAD：计算机辅助设计（computeraideddesign）

EB-PBF/M：金属粉末床电子束熔化（electronbeampowderbedfusionofmetals）

LB-PBF：粉末床激光熔融（laser-basedpowderbedfusion）

LB-PBF/M：金属粉末床激光熔融（laser-basedpowderbedfusionofmetals），又称激光束熔

化、选区激光熔融

LB-PBF/P：聚合物粉末床激光熔融（laser-basedpowderbedfusionofpolymers），又称激光

束熔化、选区激光熔融

MRI：磁共振成像（magneticresonanceimaging）

PBF：粉末床熔融（powderbedfusion）

2

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STL：立体光固化文件格式（stereolithographyformat）或曲面细分语言（surfacetessellation

language）

3MF：三维制造文件格式（3Dmanufacturingformat）

5粉末床熔融工艺（PBF）的特点

5.1概述

为了优化零件的设计，应考虑所用的制造工艺固有的特征。5.2～5.8中列举了在设计和流程规划阶

段需要考虑的增材制造工艺特征。

5.2零件尺寸

零件的尺寸不仅受到PBF设备工作区域面积/工作空间体积的限制，残余应力导致的裂纹和形变的出

现也可能会限制最大零件尺寸。可能限制最大零件尺寸的另一个重要实际因素，是与零件尺寸和体积直

接相关的生产成本。通过调整零件位置和成型方向来放置尽可能多的零件，能使生产成本降至最低。填

满粉末床所需体积（零件高度乘以粉末床面积）粉末的成本也宜列入考虑。粉末再利用的规定会显著影

响此成本。如果不允许重复利用，则不论固化量多少，所有粉末都会废弃。

5.3PBF工艺的好处

PBF工艺可能有利于制造与以下几点相关的零件：

——零件能制造为近净形（即接近最终的形状和尺寸）；

——零件的设计自由度特别高，通常不存在常规制造工艺的局限，例如：

——进刀限制；

——底切；

——能生成各种复杂的几何形状，例如：

——不规则的几何形状，例如有机结构[17]；

——拓扑优化的结构；

——填充式结构，例如蜂巢状、夹层和网状结构；

——与大多数常规制造方法不同，零件的复杂度在很大程度上与生产成本无关；

——通过零件合并能减少组装和连接工序，从而有可能实现整体成型；

——通过调整局部的工艺参数能选择性地调配零件整体性能；

——缩短从设计到零件生产的周期。

5.4PBF工艺的限制

在产品设计时应考虑通常与增材制造工艺相关的某些缺点。

——由于局部温度差异，可能会出现收缩，残余应力和形变；

——AM零件的表面质量通常受分层堆积技术（台阶效应）的影响，根据应用的不同可能需要进行

后处理；

——应考虑零件形状，尺寸和位置精度的偏差，因此应为后加工留出加工余量，通过精密的后处理

能实现指定的几何精度；

——各向异性的特点通常是由于分层堆积而造成的，在工艺规划中应予以考虑；

——当前，并非所有可用于常规工艺的材料都适用于PBF工艺；

——材料性能可能与其他技术（例如锻造和铸造）中已知的期望值不同，工艺设定和控制可能会严

重影响材料性能。

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5.5经济和时间效率

如果在几何形状允许的情况下，零件以生产成本效益尽可能高的方式排布在成形空间中，根据规划

的零件数量，能采用各种不同的优化标准。

——对于逐件生产，高度是对成形时间和成本影响最大的参数。零件应以确保成形高度最小的方向

排布。

——如果目的是制造更多的零件，则应尽可能有效地利用成形空间。零件应按所需成形次数最少的

方向排布。嵌套方法也能使可用的成形空间最大化。如果相同的零件为了实现最佳排布效果而

采取不同的朝向，即最后以不同的角度成形，则零件的机械性能可能会有所不同。

——系统中残余粉末的使用取决于应用、材料和特殊的要求。更换粉末可能低效且费时。尽管材料

类型变更时这是必需的，但如果管理规则允许，则使用相同材料成型时粉末可以重复使用。然

而需要着重注意的是，粉末的回收可能会影响粉末的尺寸分布，表面性质和合金组成，进而影

响零件的最终性能。另外，对于粉末床电子束熔化和粉末床激光熔融，重复使用的粉末性能以

及所决定的循环利用性能可能有所不同。粉末可以循环使用的次数取决于机器制造商和材料。

5.6特征限制（岛状突起，悬臂，台阶效应）

5.6.1概述

由于AM零件是连续层状成型，因此特征分离可能会在成型的某个阶段发生。这取决于零件的几何形

状。为此，5.6.2～5.6.4中描述的情况可能被视为严重情况（严重程度取决于所用的PBF技术）。

5.6.2岛状突起

岛状突起（I）是在成型工艺的后期阶段才连接形成零件（P）的特征。在设计阶段应考虑这种连接

如何发生。在整体设计中稳固的零件在成型过程中可能会不稳固（见图2左和中）。

在某些情况下，岛状突起在粉末喷涂过程中无法保证不受到机械损坏。这可能会导致岛状突起变形。

图2零件P沿z轴构造时的岛状突起I（左）和悬臂a（右）

5.6.3悬臂

外悬角为0°的区域会形成长度为a的悬臂（见图2右）。较小的悬臂不需要外加任何几何形状的支

撑结构。在这种情况下，投影区域在制造过程中是自支撑的。a的允许值取决于所使用的特定PBF工艺、

材料和工艺参数。大的悬垂会导致图2中的长度a塌陷或变形，从而导致机器停止运转。

5.6.4台阶效应

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由于是分层堆积，零件的3D几何形状在生产之前会转换为2.5D的图像，并在成形方向上步长离散。

由于2.5D图像与原始几何形状的偏差而引起的结果误差称为台阶效应。其严重程度主要取决于层厚（见

图3）。

图3不同层厚对台阶效应的影响

5.7尺寸、形状和位置精度

通常来说，成型公差难以达到与传统制造工艺相同的要求，因此可能需要进行后处理才能满足（客

户）要求。根据ISO/ASTM52910，后处理可包括减材制造、表面精加工、热处理或其他操作。

特别重要的是要意识并考虑到影响最终零件性能的工艺参数。例如，成形方向在某种程度上决定了

能够达到的精度水平。由于是分层堆积，可能会导致不同方向上不同程度（各向异性）的零件收缩。另

外，分层的一致性可能会受到零件在成形平台上位置的影响。

5.8数据质量、分辨率和表现形式

AM工艺的使用需要3D几何数据，通常表现为曲面细分模型，但也可以使用的其他表现形式，包括立

体像素或层切片。对于曲面细分数据，文件将零件的表面几何形状绘制为一系列三角形网格。三角形的

顶点使用右手定则和法向量定义。STL文件格式是公认的准行业数据交换格式。其他格式包括AMF（在

ISO/ASTM52915中有描述[5]）。

在曲面细分模型中，曲面被近似为三角形，并且选择的曲面细分分辨率决定了要制造零件的几何质

量。如果分辨率太低，在STL文件中划分的三角形边线在精加工的表面上会清晰可见（即呈现为多面体）。

但是，分辨率过高的曲面细分需要大量的数字存储空间，并且使用处理软件进行传输和处理的速度很慢。

曲面细分的分辨率通常受公差尺度（一般称为“弦高”）的影响，该尺度描述了零件表面上一点与三角

形面的最大偏差。因此，较小的公差值会使其与实际零件表面的偏差较小。通常的经验做法是将公差设

置为比AM工艺的分辨率低至少5倍。因此，对于大多数PBF工艺，建议将弦高设置为0.01mm至0.02mm。

根据系统的不同，其他参数还能用于设置网格精度。

AMF支持的信息表现形式不仅限于几何图形。例如，还支持零件单位（毫米，米，英寸）、颜色、

材料和晶格结构。STL文件仅包含曲面细分的几何图形，而3MF文件具有AMF的某些元数据表现功能。将

零件整合到数据交换文件中对于传递零件尺寸非常重要。

如果零件的几何形状是通过3D成像方法（例如CT或MRI）导入的，则数据由立体像素构成。DICOM

是医学成像行业使用的标准格式，某些AM软件工具会直接读取这些文件。几何分辨率由成像仪的分辨率

控制。

6聚合物粉末床激光熔融（LB-PBF/P）的设计指南

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6.1概述

本章中的设计指南考虑了LB-PBF/P的特点。通常来说，聚合物PBF工艺与金属PBF工艺相似，包括引

起粉末颗粒间熔融的热源、将粉末熔融限制在每层某处带状区域的方法以及增添粉末层的机制。尽管其

他材料也能加工，但常用的材料是聚酰胺（PA11，PA12及其衍生物）。一些未熔融的粉末能回收用于

后续的成型，通常是将回收的粉末与原始粉末混合。另外，材料能与其他材料填充或混合，例如玻璃和

碳纤维，来提高强度以及热、电和阻燃性能。本章介绍了：

——成形方向、位置和排布；

——熔融聚合物的材料性能；

——熔融聚合物的表面性能；

——后处理；

——其他设计注意事项。[8]

6.2材料和结构特征

不同的热塑性塑料粉末可用于LB-PBF/P，其中使用最广泛的是半结晶材料。在聚合物PBF中，会将

粉末床预热，并使温度保持在聚合物熔化温度以下数度。升高粉末床温度不仅减少了熔化所需的激光能

量输入，还避免了熔融聚合物在成型过程中发生重结晶。成型过程中的重结晶会造成零件收缩和翘曲，

可能会导致成型失败。用于PBF的聚合物熔化温度通常高于重结晶温度，这个差值决定了能用于PBF的加

工窗口温度（8）。另一方面，无定形热塑性塑料通常较宽的软化范围阻碍了此类型的工艺控制。暴露

于激光束的区域会迅速凝固，结果阻碍了与熔融和应力松弛相关的粘性流动，且零件具有孔隙率高和机

械强度低的特征[9][10][11]。

由于其契合聚合物PBF的理想特性，半结晶聚酰胺是最常见的聚合物材料，包括PA12，PA11及其

衍生物，例如玻璃填充的PA12和阻燃性PA11。在特殊情况下，无定形、可分解、弹性体、聚合物共混

和热固性的材料也可以用PBF加工。表2列出了一系列可用的材料。

注：材料数据表可从材料供应商和服务部门处获得。

材料性能取决于多种因素，包括聚合物的类型、粒度、粉末回收率和加工条件。特别地，成型过程

中的温度分布对材料性能有重大影响。成形平台的温度分布受预热程度和均匀性、成形平台中的零件密

度、激光能量密度以及成型后冷却速率的影响。出于这些理由，很难对可实现的材料结构和性能做出全

面概述[10]。然而，对聚酰胺的大规模研究表明，即使是方向垂直于成形平面的零件，也能在变形较小

（约10％）的同时获得与注塑零件相当的强度，而断裂伸长率通常比注塑零件低得多[8]。

表2LB-PBF/P可用材料概述[12]

高分子粉末材料应用领域主要性能

半结晶聚合物，如PA12（半）刚性聚合物零件耐久性

高温半结晶聚合物，如PEEK高温聚合物零件耐久性

无定形聚合物，如PS熔模铸造和无模铸造精确，局部多孔

用作粘合剂的聚合物，例如PMMA金属或陶瓷零件可热降解的无定形聚合物

填充改性的半结晶聚合物，如PA-GF，特殊性能的零件耐久性，抗载荷性能高

PA-Al，PA-Cu

弹性聚合物，如TPU弹性零件耐久性

共混聚合物新兴应用用于专业领域

热固性聚合物，如环氧树脂新兴应用通过化学键交联

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6.3材料特性的各向异性

LB-PBF/P成型的零件通常具有显著的各向异性。VDI3405-1中指出了实验室间测得的PA12机械特

性值的典型范围[7]。当使用依次交叉的扫描方向时，成形平面内（即x方向和y方向之间）的各向异性

非常低[13]。相反，在成形平面和z轴（z方向）之间出现特别高的各向异性。特别是强度和断裂伸长率

在各方向上的差异较大，而弹性模量相差不超过6％。各方向上的拉伸强度可能相差高达25％，而理想

状态下，偏差应明显低于25％[11]。对于断裂伸长率，根据机器和参数的不同，差异可能在20％到70％

之间。因此，断裂伸长率表现出最强的各向异性，在某些情况下，能从成形平面内具有屈服强度的塑性

断裂过渡为成形方向上的脆性断裂。在成形平面内强度和断裂伸长率达到最高，而弹性模量通常在成形

方向上更高。其余成形方向的特性值位于此极限之间，因此断裂伸长率和强度随着与水平方向的角度增

加而显著降低。此外，由于粉末床温度的变化会使预热温度较低，因此在成形空间的边缘和角落，零件

机械性能的各向异性通常比在中央更为明显。特别是在使用PA12的替代材料时，会发生这种现象。

6.4成形方向、位置和排布

6.4.1概述

零件的方向、位置和排布对LB-PBF/P成型零件的性能有着重要影响。客户和零件供应商应在成形方

向上达成一致意见，并应形成文件，以便用于检验、精加工或返工。成形方向应遵循ISO/ASTM52921

中给出的规则[6]。因此，应认识到从制造角度出发的考虑可能与实现零件最佳性能的考虑有所不同。

成形方向对机械性能和表面复现精度的影响将在后文中介绍。其他方面将在6.4.2至6.4.5中进行简要讨

论。

6.4.2粉末涂料

在LB-PBF/P过程中，随着分层堆积，接触力可能会从重涂机传递到零件上。在配置良好的机器中，

这些力可能很小，但在确定细丝结构的方向时仍须考虑在内。

只要有可能，垂直薄壁都不应平行于涂布机。

6.4.3零件在成形室中的位置

LB-PBF/P是一种热加工工艺。成形室会预热到材料熔化温度以下数度（开尔文温度）。因此LB-PBF/P

过程中通常不需要支撑结构。然而温度分布通常是不均匀的。角落和边缘通常温度较低。此外，热量分

布还受到所处环境的影响。成形室边缘较低的温度会导致零件精度和材料性能下降。如果零件对精度或

材料性能的要求特别高，最好将其放置在成形室的中央附近。加热丝和其他技术能有助于补偿成形室内

部和外部区域之间的温差，但显然成形室最外部的区域温度偏差不受控制的风险更大。

6.4.4过烧结

当激光扫描粉末床以将粉末熔融成型为零件时，会在预期的零件内部和周围产生热影响区。在扫描

区域的边缘，周围的一些粉末可能被充分加热并融合到零件边缘。这种现象称为过烧结，会导致零件尺

寸增加，尤其是在朝下的表面上。通常，朝上的表面具有比朝下的表面更清晰的细节。例如，顶面上的

小字比底面或侧面分辨精度更高。

6.4.5零件在成形室中高效排布

由于LB-PBF/P不需要支撑结构（悬垂和底切由周围未烧结的粉末支撑），与其他增材制造技术相比，

在零件嵌套上允许更高的自由度。因此，生产成本效益取决于，设计在成型时能排布紧凑或嵌套的零件

来有效利用成形空间。

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6.5表面粗糙度

与机械性能一样，表面性能在很大程度上取决于表面方向。对于PA12，通常的平均表面粗糙度Ra

在10µm至20µm之间。使用其他材料或改变粒径能够获得更高或更低的表面粗糙度。垂直表面的表面

粗糙度落在指定范围的中间。平行于成形平面的表面粗糙度最低，而上倾角为10°到25°的上表面粗糙

度最高。这是由于分层堆积产生的特别明显的台阶效应。这种效应在角度相同的下表面上不太明显，因

为过烧结的粉末会使台阶的一部分变得平整[14]。层厚是影响LB-PBF/P粗糙度的主要因素[12]。层厚增

加的同时会导致台阶效应增强，即使在垂直表面上也会产生更高的粗糙度。

6.6后处理

与机加工或注塑成型零件相比，激光烧结零件具有较高的表面粗糙度。但是，合适的精加工工艺可

以拓展激光烧结零件的应用。此外，精挑细选的精加工方法会影响激光烧结零件的外观、强度和孔隙率，

进而影响零件的密度。精加工可以提高表面质量，以满足以下要求[15][16]：

——功能要求：

——耐腐蚀性能；

——耐磨性；

——滑动性能；

——粗糙度；

——硬度；

——强度；

——密度；

——装饰要求：

——颜色；

——光泽；

——粗糙度；

——平滑度。

聚合物的精加工过程通常包含表面处理和表面涂层的组合，以满足各种表面质量要求。喷砂是用于

清洁零件的标准精加工技术。重点是要意识到，每一后续的精加工步骤都会增加工作量，因此会产生额

外的成本。在设计阶段，应预留夹紧面以及扩大或缩小的余量，以便必要时进行后处理。精加工步骤只

能作用于有限范围内的细丝结构。精加工步骤可能会导致尺寸、形状和位置偏差（例如顶角和边缘的倒

圆），这点也应考虑在内。后处理的实例有：旋转抛光、浸润、模具着色、喷漆和金属喷镀。

6.7设计注意事项

6.7.1除粉的考虑

将空腔纳入大批量零件的设计中可能有利于：

——使翘曲最小；

——提高工艺可靠性；

——缩短成形时间；

——减轻重量；

——减少材料消耗。

空腔的设计应考虑到载荷。也能填充网状或仿生结构进行加固。这些结构也能用于优化热学或声学

性能。

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在聚合物PBF零件中设计空腔、通道或孔时，应留出供除粉的余量。空腔中包含松散的未烧结粉末，

可在后处理时通过专用开口去除，或留在原处。如果打算清除粉末，则应提供专用的开口来清除难以到

达的区域的粉末。多个开口的合并可以减少除粉的工作量和时间。应尽可能避免盲孔和类似的特征，因

为从中去除未烧结的粉末会非常困难。

6.7.2减少翘曲

翘曲会影响聚合物PBF成型的大型零件。薄壁壳体、细长的零件和较大的平坦表面特别容易翘曲。

各种设计措施能有助于抵消翘曲，包括：

——加强筋；

——平滑过渡，以防壁厚变化突兀；

——自支撑曲面；

——外部辅助结构（在成型过程中与零件相连，但在成型后移除）。

零件在成形室内的方向可能会对翘曲有重大影响。为了最大程度地减少翘曲，在成形室内将大平面

垂直放置，而非平行于成形平面。如果平面平行于成形平面，则将平面度要求最严格的表面朝上放置。

6.7.3壁厚

激光烧结聚合物可达到的分辨率精细程度取决于成形方向。因此，成形空间内零件的正确朝向非常

重要。平行于成形平面（x-y平面）可以成型比垂直于成形平面（x-z或y-z平面）更小的壁厚。为避免

薄壁弯曲或不全，平行于成形平面（x-y平面）和垂直于成形平面（x-z或y-z平面）成型的薄壁，最小

壁厚分别约为0.6mm和0.8mm米。薄壁和表面可以借助加强结构来稳固。

6.7.4间隙、圆柱和孔

可实现的最小孔径或间隙宽度取决于间隙的深度、相邻部位的厚度及其在成形室内的方向。当方向

平行于成形平面并且相邻部位较薄时（可以减少孔或间隙的过烧结和收缩），可以实现较小的孔或间隙。

在聚合物PBF中，小于1.5mm的孔很难精确制造，尽管方向平行于成形平面并嵌入非常薄的相邻零件（约

1mm厚）时，可以成型小至0.6mm至0.8mm的孔。只要零件的几何形状允许，圆柱的方向就应垂直于成

形平面。平行于x-y成形平面的圆柱，其圆周上易受到台阶效应的影响。使用聚合物PBF可以精确地制造

直径小至0.8mm的圆柱[18]。

6.7.5栅格结构

LB-PBF/P非常适合制造栅格结构。几何形状不应太薄，以免影响工艺可靠性或松散粉末的去除（如

有必要）。对于精细结构，尤其要注意与斜面相关的台阶效应。栅格结构也能用于加强空腔，在这种情

况下，栅格的支柱厚度应小于相邻部位的壁厚。

典型的LB-PBF/P设备可以成型直径小至近0.5mm的栅格支柱[18]。

6.7.6流体通道

原则上，能将加压通道集成到LB-PBF/P成型的零件中。如果要对通道进行加压，通道壁应有足以承

受压力的厚度，因为由于制造过程的性质，烧结材料具有一定的孔隙率，所以会造成沿通道处的压力损

失。以PA12为材料的通道壁厚至少为3mm，通常不透水，尽管如果在内部使用密封剂以减小这种影响，

则能减小壁厚。

其他材料对壁厚的要求可能不同。在许多情况下，通道的几何形状与流体动力学相匹配。去除松散

粉末的需要限制了通道的复杂度、长度和最小横截面。在特定的横截面上，“丝”可以作为临时支撑在

通道中成型，在后续被移除以打开通道。应避免盲孔等难以进入的结构，因为它们难以清洁。

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可能有利于去除通道内松散粉末的重要因素是大幅降低输入到材料中的能量，这也与直径直接相关。

小于5mm的通道很难清洁。此外，如果相邻的通道区域具有较小的厚度或甚至是具有加强结构的空腔，

则防止了该区域中进一步的热量积聚。图4展示了如何在设计上实现这一目标。

a）不宜b）适宜

——实心结构需要的成形时间较长，容易——极大减少了材料消耗和成形时间；

翘曲，通道的清洁困难；——易于清洁的空气动力学连续通道；

——曲折的通道难以清洁；——壁厚较小，提高了尺寸精度；

——盲孔会促使材料积聚并阻碍深入清——加强（网状结构）以提高稳定性。

洁。

图4不宜和适宜的通道板设计示例（左：不适宜的设计；右：两种更适宜的设计）

6.7.7弹簧和弹性元件

LB-PBF/P可用的不同材料为弹簧和弹性元件的成型提供了可能。可变形元件不得恒定保持在变形状

态，因为这会由于材料的应力松弛而导致永久变形。

能够成型以下元件：

——经典的螺旋弹簧或弹簧片，应根据烧结材料的性质和成形方向进行设计；

——能使用弹性材料制成类似橡胶的阻尼元件。

柔性材料的刚度可以通过加工参数来影响。对于诸如弹性体的材料，材料特性取决于诸如输入能量

密度的加工参数。

6.7.8连接元件和紧固件

激光烧结零件的连接元件能直接成型。对于设计精良的连接元件，零件通常无需辅助工具就能连接

在一起或分开。

——连接元件的示例包括：

——螺纹；

——挂钩；

——孔眼；

——楔形榫头；

——销钉；

——卡扣式挂钩（见图5）；

——张力销；

——公文包式或手提包式紧固件；

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——螺帽；

——下压按钮。

上面列出的连接元件复杂度有所不同。材料相关的间隙尺寸通常是一个限制因素。一般最好制造打

开状态下的紧固件/连接件，因为这样可以减小紧固件/连接件中的轴承间隙。连接点的延展性可能根据

材料和横截面有所不同。如果零件太脆或横截面不够柔软，零件将断裂或损坏。应考虑到断裂伸长率根

据成形方向有所不同的事实。

图5卡扣式挂钩示例（由德国奥格斯堡FraunhoferIGCV提供）

6.7.9固定装配件

LB-PBF/P是制作完整（组装完全）装配件的理想制造工艺。根据装配件内部的机械性能统一与否，

固定装配件的成型过程有所不同。在第一种情况下，辐照参数相同；在第二种情况下则不同。

在这方面，以下几点适用：

a)如果组装完成的装配件中所有组件都是使用相同的辐照参数制造的，则在CAD中将已有的模块

化组件合并为一个零件可能会有所帮助。这种方式可以避免由于共享表面受到双倍剂量辐照或

类似情况而造成的制造缺陷。

b)如果零件的不同区域要具有不同的材料性能，即要使用不同的辐照参数，则这些单独的元件应

设计为单独的零件，然后在预生产的数字处理过程中相互对应正确放置（与多组件注塑成型一

样）。这种方式可以实现，例如不同的刚度。

6.7.10可动装配件

能形成（子）装配件以节省装配时间。这种方法还可以制造其他方法均无法组装的零件。如果要使

各子组件彼此相对活动，则应在其接口处留有足够大的间隙（对于PA12，此间隙应为约1mm，在某些

应用中该间隙可能会更小）。图6展示了可以通过LB-PBF/P成型的夹具的实例。

图6构造为可动装配件的三爪夹具

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6.7.11轴承

滑动轴承和滚动轴承的功能可以在装配件的领域中实现，而这通过传统方法生产的成本非常高。能

采用完全或部分集成的方法，具体取决于预期用途、磨损和所施外力的要求。

——对于完全集成的滚动轴承，滚动元件（例如球轴承）是由相同的材料在同一批次中成型的。以

这种方式生产的轴承具有相当大的游隙，且磨损更严重。随着滚动元件上应力的增加，这些现

象将变得更加复杂。因此在大多数情况下，不建议以这种方式制造装配件。

——对于部分集成的滚动轴承，滚动元件（例如由陶瓷材料制成）在成型后才装入。这种方法制造

的滚动元件具有较小的摩擦力、较高的机械强度和较小的游隙。

两种变体均应允许设置适当大小的清洁孔来进行后续的粉末去除，并避免闭端（盲孔）和类似的设

计缺陷。通过部分集成的方法，设计用于插装滚动元件的开口也能用作除粉口。在这种情况下，开口的

设计应便于后续插装或更换滚动元件。

理想情况下，径向轴承的轴线应与成形方向平行。

6.7.12连接件

连接件能够集成到激光烧结零件中而无需组装。这里要牢记的要点是，可动元件之间的摩擦力更大，

制造过程所需的间隙更大，并且需要去除粉末。全封闭的连接承窝很难成型，能借助周围外形（壳体或

承窝）中的选择性凹槽来近似实现。

借助集成的功能元件（例如弹簧、凹槽、销钉和通道）可以实现诸如锁定和结束点之类的其他功能。

薄膜铰链（活动铰链）是一件式零件，无需组装，也能通过LB-PBF/P成型。通过调整形状、一致性、

锥度（相交的壁厚）和壁的硬度，可以延长铰链的使用寿命并扩展其功能。铰链的厚度能达到约0.24mm。

它们应在x-y平面上成型，以使所有层的成型方式相同。在任何情况下，这些薄膜铰链的失效循环周期

数都少于注塑成型的版本。

6.7.13标记集成

铭文和标记能在成型时添加到零件中。原则上，任何类型的铭文，无论是蚀刻还是浮雕，都能够成

型。选择字体样式和大小时应考虑可读性。均匀壁厚下的无衬线字体分辨率最佳。为使可读性最佳，尽

管在朝上的表面上可以使用较小的字体，还是建议使用至少24号大小的字体。通常，凹字比凸字的分辨

率更好[18]。

铭文和标记可用于：

——通用标志、警告和安全说明；

——便于组装的符号；

——带有独立序列号的铭牌；

——设计元素；

——徽标；

——纹理。

6.7.14切割和连接

如果对于可用的成形空间而言零件太大，则应将其分段成型，然后再进行连接。这意味着零件应在

CAD文件中拆分成独立的零件。然后在后处理时对成型的独立零件进行机械连接。最简单的形式是通过

切割来实现分离。但是，建议制成楔形榫接头，这样确保了零件正确对齐并提高了接头的强度。连接本

身通常是以胶粘的方式。也能使用螺栓连接或类似方式以满足接头的机械要求。重要的是，设计时在接

头的两半之间留出切削间隙（约0.1mm），以利于连接和粘接。此外，两个零件上的连接点应尽可能地

按相同方向和相同位置排布在成形空间中，以最大程度地减少形状和尺寸偏差。图7展示了一个实例。

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a）不宜b）适宜

图7切分零件的排布

6.8应用示例

6.8.1带有集成弹簧的功能玩具车

本条中描述的功能玩具车（见图8）说明了LB-PBF/P在解决两个不同问题上提供的可能。其中解释

了如何利用LB-PBF/P技术来生产复杂的自由形状零件，这些零件在清洗后无需组装（见图9）。零件也

经过精心设计，以确保环形和凹槽中残留的粉末易于清除。这些零件具有多个轴承、一组齿轮、两种类

型的飞轮和一个弹簧马达，所有这些都可以使用LB-PBF/P工艺成型。该车设计成侧面与主轴平行于成形

方向，使得：

——轴、齿轮、车轮和轴承的圆度最佳；

——弹簧马达正常工作；

——尖刺的功能强度得到保证。

所有运动零件以在x-y平面上至少0.3mm、在Z方向上至少0.5mm的间隙与其他零件分开。为了便于

去除零件间狭缝中的粉末，这些区域中添加了孔眼和凹槽。正常清洁后，可以通过零件之间的移动将剩

余的粉末弄散。

注：1成形方向

图8功能玩具车的正等轴测图和成形方向（由荷兰应用科学研究组织TNO提供）

轴上带有孔眼的轴承，便于粉末排出。装入滚子的飞轮。能将螺丝刀插入中心狭缝中，在装置上施

加扭矩以使粉末散落。具有多个弯曲棘轮的棘轮飞轮。弹簧马达由两个嵌套的板簧线圈组成。弹簧背面

的小肋减少了弹簧接触时的摩擦损失。

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轴上带有孔眼的轴承，装入滚子的飞轮。能将螺具有多个弯曲棘轮的棘弹簧马达由两个嵌套的板

便于粉末排出。丝刀插入中心狭缝中，在轮飞轮。簧线圈组成。弹簧背面的

装置上施加扭矩以使粉末小肋减少了弹簧接触时的

散落。摩擦损失。

图9易于除粉的功能组件设计（由荷兰应用科学研究组织TNO提供）

6.8.2机械手

该机械手（见图10）由德国RobomotionGmbH与德国斯图加特的FraunhoferIPA合作设计，以便一

次处理25件产品（约20mL的番茄酱包装袋）。处理过程分为两个步骤。第一步，需要同时从容器中取

出25个零件。在第二步中，零件被夹具压紧，以便装入纸板包装中。到批量应用为止开发时间仅为18

个月。

该机械手将用于食品工业。因此，确保符合卫生法规是重中之重。通过将夹具置于温度为100°C

的水浴中来达到卫生要求。此过程之后，机械性能和变形不会受到影响。批量应用的第一阶段，机械手

能够经受2×106个负载循环（3个轮次，每秒20次操作）。但是客户要求5×106个负载循环。重新设计

后，机械手现在能够经受18×106个负载循环。因此，关键是要用合成轴承取代扭杆和薄膜铰链（活动

铰链）。在最终版本中，操作机械手的力从原来的145N减小到3N。关于此示例的更多详细信息见参考

文献[15]。

图10功能集成的机械手设计（由德国Leinfelden-Echterdingen的RobomotionGmbH提供）

7整体设计考虑

14

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零件的最终性能取决于多种因素，包括零件的几何形状、PBF设备、材料、粒度、粉末回收率、温

度控制和加工条件。出于这些原因，很难对可实现的结果和材料性能作出总体的概述。用户应查阅供应

商和服务部门的PBF设备规格表和材料数据表。

15

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参考文献

[1]ISO17296-2:2015,Additivemanufacturing–Generalprinciples–Part2:Overviewof

processcategoriesandfeedstock

[2]ISO17296-3:2014,Additivemanufacturing–Generalprinciples–Part3:Main

characteristicsandcorrespondingtestmethods

[3]ISO/ASTM52901:2017,Additivemanufacturing–Generalprinciples–Requirementsfor

purchasedAMparts

[4]ISO/ASTM52910,Additivemanufacturing–Design–Requirements,guidelinesand

recommendations

[5]ISO/ASTM52915,StandardSpecificationforAdditiveManufacturingFileFormat(AMF)

Version1.2

[6]ISO/ASTM52921,Standardterminologyforadditivemanufacturing–Coordinatesystems

andtestmethodologies

[7]VDI3405-1,Additivemanufacturingprocesses,rapidmanufacturing–Lasersintering

ofpolymerparts–Qualitycontrol

[8]VDI3405-3:2015,Additivemanufacturingprocesses,rapidmanufacturing–Designrules

forpartproductionusinglasersinteringandlaserbeammelting

[9]Gibson,I.,Rosen,D.W.,Stucker,B.,AdditiveManufacturingTechnologies,Springer

Science,2010,pp.120-159.

[10]Schmachtenberg,E.,andSeul,T.,“Modelofisothermiclasersintering,”in60thAnnual

TechnicalConferenceofSocietyofPlasticsEngineers(ANTEC),SanFrancisco,2002.

[11]Drummer,D.,Rietzel,D.,Kühnlein,F.,“SelektivesLasersinternvonteilkristallinen

Thermoplasten,”inRTejournal–ForumfürRapidTechnologie6,2009,1,ISSN1614-0923.

[12]Rietzel,D.,WerkstoffverhaltenundProzessanalysebeimLaserSinternvon

Thermoplasten.DissertationFriedrich-AlexanderUniversitätErlangen-Nürnberg,Lehrstuhlfür

Kunstsofftechnick,2011.

[13]Wegner,A.,andWitt,G.,“LaserSinteredPartswithIsotropicMechanicalProperties,”

inTechnicalPaper–SocietyofManufacturingEngineers,Dearborn,MI,TP12PUB43,2012pp.

1-16.

[14]Wegner,A.,andWitt,G.,“InfluencingFactorsonSurfaceRoughnessinLaserSintering

andTheirEffectonProcessSpeed,”inDemmer,A.,ProceedingsoftheFraunhoferDirectDigital

ManufacturingConference2012,Berlin,2012.

[15]Bacchewar,P.B.,Singhal,S.K.,Pandey,P.M.,“StatisticalModellingand

OptimizationofSurfaceRoughnessintheSelectiveLaserSinteringProcess,”inProceedings

oftheInstitutionofMechanicalEngineers,PartB:JournalofEngineeringManufacture,Bd.

221,Nr.1,2007,pp.35-52.

[16]Breuninger,J.,Becker,R.,Wolf,A.,Rommel,S.,Verl,A.,GenerativeFertigungvon

Kunststoffen,Springer-Vieweg,2013.

[17]Westkämper,E.,andWarneke,H.J.,“EinführungindieFertigungstechnik,”Teubner,

Stuttgart,Leipzig,Wiesbaden,2004.

16

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[18]Seidel,C.,BioTRIZ–ProcessKnow-how,designmethodologiesandsoftwaretoolsfor

enhancedadditivemanufacturing,Add-ITconference,Linz(Austria),03.04.09.2016.

_________________________________

17

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目次

前言................................................................................II

1范围..............................................................................1

2规范性引用文件....................................................................1

3术语和定义........................................................................1

4符号和缩略语......................................................................2

5粉末床熔融工艺（PBF）的特点.......................................................2

6聚合物粉末床激光熔融（LB-PBF/P）的设计指南........................................5

7整体设计考虑.....................................................................13

参考文献............................................................................14

I

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增材制造面向高分子粉末床激光熔融设计要求

1范围

本标准列举了聚合物粉末床激光熔融工艺的特征，并提供了详细的设计建议。

在适当考虑工艺固有特征的前提下，某些基本原理也适用于其他增材制造工艺。

通过汇总相关知识和扩展ISO/ASTM52910的范围，本标准还提供了与粉末床融熔工艺使用相关的设

计指南最新进展情况。

2规范性引用文件

下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本文件。

凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。

ISO/ASTM52900,Additivemanufacturing—Generalprinciples—Fundamentalsand

vocabulary

3术语和定义

ISO/ASTM52900界定的以及下列术语和定义适用于本文件。

3.1

下表面（D）downskinarea

法向量在z轴上的投影为负的（子）区域，如图1所示。

3.2

下表面角（δ）downskinangle

成形平台的平面与下表面（3.2）之间的角度，数值介于0°（平行于成形平台）和90°（垂直于成

形平台）之间，如图1所示。

3.3

上表面（U）upskinarea

法向量在z轴上的投影为正的（子）区域，如图1所示1。

3.4

上表面角（ν）upskinangle

成形平台的平面与上表面（3.4）之间的角度，数值介于0°（平行于成形平台）和90°（垂直于成

形平台）之间，如图1所示。

1

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图1

4符号和缩略语

4.1符号

表1所示的符号适