粉末床熔融金屬3D打印技術(shù)為構(gòu)建具有自由形狀和復(fù)雜特征的零件提供了極大的自由度，可直接根據(jù)CAD數(shù)據(jù)制造成品，無需使用成本高昂的加工工具。若以傳統(tǒng)方式來制造這些設(shè)計(jì)復(fù)雜的零件，則顯得非常不切實(shí)際，甚至根本不可能完成。增材制造技術(shù)制造的零件往往更輕、更高效且能夠更好地發(fā)揮工作性能。

然而，這并不是說這種靈活性能夠讓我們隨心所欲地設(shè)計(jì)任何想要的形狀，至少在成本的約束下，我們也不可能做到這一點(diǎn)。

在這方面，金屬3D打印專家英國(guó)雷尼紹總結(jié)了一系列的增材制造設(shè)計(jì)指南，在此，3D科學(xué)谷分為兩期與谷友分享，本文為下半部分。

因素3：支撐

正如我們之前討論的，依賴支撐來克服擺放方向問題不是一種好的工程設(shè)計(jì)實(shí)踐。雖然我們可能會(huì)容忍在制造原型零件時(shí)付出額外的加工時(shí)間和后期處理成本，但是此類浪費(fèi)在批量生產(chǎn)增材制造零件時(shí)則是難以接受的。過度依賴支撐表明這個(gè)零件的幾何形狀“不夠穩(wěn)固”，這對(duì)成品率有潛在影響。

-- 支撐目的

盡管我們可以通過設(shè)計(jì)來盡可能減少支撐，但有時(shí)也不可能將其完全消除。支撐有三大主要功能：

來源：雷尼紹

隔離材料 — 支撐可用于“固定”未與前一層相連的材料（即與加工托盤形成的角度小于45°的懸伸結(jié)構(gòu)，或局部最低點(diǎn)特征）。最好是將支撐結(jié)構(gòu)集成到組件設(shè)計(jì)中。

殘留應(yīng)力 — 我們應(yīng)通過設(shè)計(jì)來減小加工過程中的殘留應(yīng)力，避免尖銳邊緣，并避免大面積加工區(qū)域直接附著在加工托盤上。如果這點(diǎn)無法實(shí)現(xiàn)，那么可以應(yīng)用支撐來抵消零件中的應(yīng)力，防止材料從加工托盤上脫落。這一方法不推薦用于批量生產(chǎn)加工件。

散熱通道 — 未熔粉末是一種絕熱體。支撐會(huì)從下表層區(qū)域轉(zhuǎn)移走一些熱量，這有助于避免粉末燃燒、過度熔化、變形和變色；對(duì)于正對(duì)刮刀方向的下表層，其效果尤為顯著。通過旋轉(zhuǎn)零件改變其與刮刀的相對(duì)朝向，也可減少上述不利影響。

-- 主要支撐和輔助支撐

主要支撐指的是那些在CAD環(huán)境中隨組件一起開發(fā)的支撐，它是一次性結(jié)構(gòu)，當(dāng)加工完成時(shí)將被移除。輔助支撐是那些在加工文件處理軟件中生成的支撐。

來源：雷尼紹

主要支撐的特點(diǎn)是堅(jiān)固，可控性更好。可以將它們導(dǎo)入到加工文件處理軟件中（以STL形式），或與零件的主體一起設(shè)計(jì)。還可以使用完整的修訂控制功能將它們以參數(shù)的形式導(dǎo)出。也可以執(zhí)行有限元應(yīng)力分析。此外，我們可以設(shè)計(jì)和模擬主要支撐，讓其以可控方式傳遞熱量。

在加工文件處理軟件中創(chuàng)建的輔助支撐也可通過參數(shù)進(jìn)行管理，但缺乏可追溯性和可重復(fù)性。如果更改零件設(shè)計(jì)，它們可能需要重建。

來源：雷尼紹

混合支撐設(shè)計(jì)充分利用CAD設(shè)計(jì)和加工文件處理軟件的優(yōu)勢(shì)來實(shí)現(xiàn)最佳方案。

-- 圓角和倒角

雖然0.3 – 1 mm的水平懸伸結(jié)構(gòu)可采用自身支撐，但是不建議這樣做。而超過1 mm的懸伸結(jié)構(gòu)則必須要重新設(shè)計(jì)或?yàn)槠涮砑又�撐。可在組件中添加圓角和倒角以消除懸伸結(jié)構(gòu)（如圖中所示）。

來源：雷尼紹

-- 關(guān)于移除支撐的挑戰(zhàn)

孔洞和管道內(nèi)的支撐很難移除，并且可能需要后續(xù)加工。同樣，支撐太小也會(huì)給移除帶來難度。如果零件的幾何形狀比支撐更加脆弱，則在后期處理過程中零件損壞的風(fēng)險(xiǎn)較高。

-- 水平細(xì)節(jié) — 添加支撐或重新設(shè)計(jì)

零件側(cè)面露出的橫向孔可能也需要支撐。在大多數(shù)激光粉末床機(jī)器上可加工出的孔的最小尺寸為0.4 mm。

直徑大于10 mm的孔洞和管道將需要在其中心添加支撐，此時(shí)應(yīng)考慮重新設(shè)計(jì)。直徑介于這兩個(gè)尺寸之間的孔洞可在不添加支撐的情況下加工，但它們的下表層表面可能會(huì)出現(xiàn)一些變形，這是因?yàn)閼疑觳糠稚戏降娜鄢乩鋮s速度減慢所致。

由于水平孔的圓度很可能不會(huì)十分理想，因此更可行的方法通常是改變它們的形狀以便它們能夠采用自身支撐。在某些情況下，淚滴形或菱形孔都是可以接受的最終特征。兩種輪廓都可用于流體通道，并可提供相似的液壓性能，但是菱形孔能夠更好地抵抗流體壓力。

在其他情況下，如果要求必須有高精度的圓孔，則需要進(jìn)行后期加工。菱形孔可用作銑削加工的對(duì)稱導(dǎo)孔，這點(diǎn)比淚滴形孔更好。在許多情況下，不在增材制造階段加工這些孔，而是在后期處理階段在實(shí)心結(jié)構(gòu)上鉆孔，這可能是最合理的方式。

—“ 有關(guān)支撐的建議”—

- 將10 mm以上的孔改造成自身支撐的菱形孔

- 使用倒角半徑以避免較高支撐

- 移除相對(duì)加工托盤的懸伸角度小于45°的區(qū)域

- 旋轉(zhuǎn)下表層使其遠(yuǎn)離刮刀方向

- 在增材制造加工完成后再加工小型特征

- 直接緊貼加工托盤完成零件加工，同時(shí)留有額外的加工余量

- 移除水平下表層區(qū)域

因素4：優(yōu)化

拓?fù)鋬?yōu)化和衍生設(shè)計(jì)越來越多地用于設(shè)計(jì)具有更高效率的零件。網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)也具有減輕重量的優(yōu)勢(shì)。增材制造技術(shù)生產(chǎn)復(fù)雜形狀零件的能力使之成為實(shí)現(xiàn)此類設(shè)計(jì)的最佳方式。

這些優(yōu)化技巧的主要目的是，在移除多余材料的同時(shí)保持結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛性。經(jīng)過優(yōu)化的零件通常呈現(xiàn)出更為復(fù)雜、有機(jī)的外觀。需要注意的是，功能經(jīng)過優(yōu)化的零件可能未必適合采用增材制造方式加工 — 尤其就加工零件擺放方向而言。

圖：可明顯看到，以水平擺放方向加工該零件時(shí)，那些突出顯示為紅色的懸伸區(qū)域內(nèi)需要添加很多支撐。來源：雷尼紹

沿垂直方向重新擺放零件后，需要添加支撐的區(qū)域?qū)⒆兩佟�圓孔等細(xì)節(jié)將需要添加支撐或重新設(shè)計(jì)。還需要注意的是優(yōu)化的支撐桿與圓角半徑的交匯角。

來源：雷尼紹

在設(shè)計(jì)階段重新評(píng)估零件時(shí)已將擺放方向考慮在內(nèi)，因此，很顯然該零件在進(jìn)行增材制造加工時(shí)只有一個(gè)擺放方向。現(xiàn)在要針對(duì)后期加工重新設(shè)計(jì)橫向孔等細(xì)節(jié)：

來源：雷尼紹

—“ 優(yōu)化設(shè)計(jì)建議”—

- 應(yīng)用最小壁厚準(zhǔn)則

- 確定用于加工的臨界表面

- 考慮支撐定位和移除或重新設(shè)計(jì)以便無需添加支撐

- 設(shè)計(jì)時(shí)考慮零件擺放方向并相應(yīng)修改細(xì)節(jié)

- 確定是否可達(dá)到要求的表面光潔度

設(shè)計(jì)師可能需要結(jié)合各種優(yōu)化技巧 — 拓?fù)鋬?yōu)化、空心零件、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)（如適用）— 以實(shí)現(xiàn)高效的設(shè)計(jì)。零件擺放方向應(yīng)該是繼適用性、形狀及功能之后的又一個(gè)關(guān)鍵的設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)因素。

End： 總結(jié)

增材制造技術(shù)為生產(chǎn)高效、高性能的零件提供了極大的設(shè)計(jì)自由。但是要想以最低的成本和最少的浪費(fèi)來批量生產(chǎn)零件，則必須充分考慮增材制造的工藝特性。

將增材制造設(shè)計(jì) (DfAM) 思想融入設(shè)計(jì)過程，這有助于最大程度提高加工成功率，并增強(qiáng)增材制造工藝的經(jīng)濟(jì)效益。毋庸置疑的是，設(shè)計(jì)師要想更具競(jìng)爭(zhēng)力，則不僅必須頭腦更加靈活，還應(yīng)對(duì)增材制造工藝有更為深入的了解。

(責(zé)任編輯：admin)

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