增材制造六个设计要素

寂静回声

3D打印技术能够通过降低模具成本，减少材料，减少装配，减少研发周期等优势来降低企业制造成本，提高生产效益。那么，是不是将原有的设计思维和对于制造成本的管控方式直接挪到3D打印这种增材制造方式中来就可以发挥出3D打印的优势了呢? 面对3D打印技术，企业是紧盯3D打印对制造成本的影响，还是放眼全局?
本期，3D科学谷将结合美国大型3D打印服务企业Proto Labs的应用工程师所总结的增材制造六个设计要素，来剖析如何才能够减少3D打印带来的额外制造成本，更好的发挥3D打印在降低企业制造成本和提高综合效益方面的优势。
--1. 优化设计
精心设计的3D打印零件遵循的许多原则与注塑成型相似，比如说：在相邻表面之间使用渐变过渡;避免横截面积和零件体积之间的差异巨大的情况;避免出现在成品工件上产生残留应力的尖角;无支撑的薄壁结构不能过高，否则会出现翘曲。
--2.抛弃传统
典型的3D打印零件往往带有仿生设计，比如说蜂窝结构或复杂点阵结构。不要害怕在设计时使用这种结构，只要它们能够创造出更轻、更坚固的部件。

图片来源：雷尼绍
不必忌讳在设计中使用孔状结构，因为通过传统制造方式在零件中钻孔无形中增加了材料的浪费，从而导致成本上升。
但应注意的是，在增材制造时，尤其是选区激光熔融金属3D技术制造圆孔时需综合考虑是否添加孔洞的支撑结构以及下表面可能会出现的变形情况，有些情况下，考虑采用泪滴形或六角形等孔形结构来代替圆孔是更好的设计方式。
--3.综合考虑零件大批量生产时的制造方式
3D打印技术能够实现自由造型，为零件设计创新带来了很大空间，比如说3D打印技术可以制造出具有很多孔洞结构的零件，但这并不意味着一定要这样来设计零件。
这是由于，很多企业认识到3D打印技术能够胜任零部件小批量生产，但是一旦企业所需要的产量大量上升时，仍需要考虑转换成机械加工、铸造等传统工艺，在这种情况下，设计师需要在设计早期就综合考虑零件将来投入量产时所采用的制造工艺是否也同样能够成功的实现出设计方案，从而在设计时做出权衡。
在设计周期早期进行可制造性(DFM)分析非常重要，做到这一点将确保企业在整个零件生命周期中实现具有成本效益的生产。
--4.减少打印后的二次操作
部分3D打印工艺中需要为打印零件添加支撑结构，以防止零件卷曲和翘曲，例如在使用选区激光熔融设备加工金属零件时，通常需要为悬伸结构添加支撑;立体光固化(SLA)3D打印中，也存在着需要添加支撑结构的情况。
打印中形成的金属支撑结构，在打印完成之后需要通过机加工等方式去除，塑料支撑结构需要通过手持磨砂机等方式加以去除。但不论是何种去支撑的方式，都会增加成本，延发制造周期。因此设计时应考虑通过改变设计、改变零件摆放的等方式来尽量避免为零件添加支撑结构。
--5.观察公差
为了满足金属零部件对公差的要求，有时配合使用机械加工等二次加工工艺是必要的，但过度追求公差要求将会对3D打印零件的设计和制造产生影响，比如说为过度追求精度而增加打印层数，从而导致打印时间和打印成本增加。
采用恰当的设计策略，有时可以减少使用打印后处理工艺，比如说悬伸结构表面(下表层)，通常比垂直壁面和朝上表面的表面光洁度差，如果要生产具有最佳精度的细节特征，那么最好在设计时将这些特征定位在零件的上表层。
--6.顾全大局
虽然3D打印的材料成本、设备成本比成熟的传统制造工艺高，但不要因此而望而却步。
在进行3D打印零部件设计时，更应紧紧抓住3D打印技术在实现复杂轻量化结构，功能集成化零件方面的优势，尽可能激发3D打印在零部件设计优化中所起到的作用。延伸阅读：3D打印实现轻量化的四种途径
也就是说，面对3D打印技术时如果仅关注这项技术对于制造成本的影响，而忽略掉全面考虑该技术在重塑产品设计和功能，以及重塑供应链方面的潜力，会使企业错过3D打印创造的更多综合效益。