增材制造技術(shù)在加速發(fā)展并成為一種強(qiáng)大的生產(chǎn)技術(shù)，一個(gè)明顯的差距是大多數(shù)的設(shè)計(jì)工程師是在傳統(tǒng)的減材制造教育中成長(zhǎng)的，轉(zhuǎn)換這一思維模式將需要花費(fèi)很多努力。不僅僅是調(diào)整一些規(guī)則，而是完整的教育和實(shí)踐的演變。當(dāng)設(shè)計(jì)師被要求通過(guò)3D打印實(shí)現(xiàn)創(chuàng)造性和創(chuàng)新性時(shí)，全新的設(shè)計(jì)思路就需要圍繞著符合產(chǎn)品功能的要求以及滿足增材制造技術(shù)的特點(diǎn)來(lái)展開(kāi)。

傳統(tǒng)的減材制造是從一塊毛坯料開(kāi)始的，減材制造對(duì)設(shè)計(jì)帶來(lái)的局限要求通過(guò)幾十年嚴(yán)格的規(guī)則和指導(dǎo)已經(jīng)占據(jù)了設(shè)計(jì)師的大腦。增材制造思維只能通過(guò)快節(jié)奏的方法迅速刷新設(shè)計(jì)師的思路，通過(guò)快速訓(xùn)練和重新審視他們的設(shè)計(jì)來(lái)切換到為增材制造而設(shè)計(jì)的軌道上。重要的是設(shè)計(jì)師需要認(rèn)識(shí)到，雖然增材制造的“復(fù)雜性是免費(fèi)的”，仍然有很多限制因素需要考慮，這就需要增材制造的指導(dǎo)方針，包括對(duì)成本、時(shí)間和質(zhì)量的考慮。

優(yōu)化設(shè)計(jì)

幾十年來(lái)，設(shè)計(jì)、制造和成本都“住在一個(gè)屋檐下”，理解這三者之間的關(guān)聯(lián)十分重要。對(duì)于增材制造來(lái)說(shuō)，尤其需要考慮這三者的相互影響因素。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要幾個(gè)星期或幾個(gè)月才能實(shí)現(xiàn)和制造。據(jù)了解，增材制造周期有時(shí)很快，設(shè)計(jì)故障有時(shí)候隔夜就可以立即識(shí)別。這些設(shè)計(jì)、制造和成本的迭代發(fā)生的那么快，可以相互借鑒和融合成一種優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法論。

為增材過(guò)程而設(shè)計(jì)

當(dāng)前增材制造的設(shè)計(jì)過(guò)程通常從現(xiàn)有的設(shè)計(jì)開(kāi)始，特別是當(dāng)有了對(duì)當(dāng)前零件實(shí)現(xiàn)輕量化的需求時(shí)。零件的選擇過(guò)程、材料選擇和工藝選擇這些本身就是一個(gè)課題。

當(dāng)選擇了需要優(yōu)化的零件，你可以啟動(dòng)CAD軟件包，并創(chuàng)建增材制造設(shè)計(jì)。

設(shè)計(jì)周期不是線性的，在每個(gè)設(shè)計(jì)階段你都面臨很多選擇。設(shè)計(jì)迭代取決于哪些參數(shù)必須優(yōu)化。例如，當(dāng)交貨時(shí)間緊迫的時(shí)候，你可能需要降低產(chǎn)品高度，且考慮多光束的加工條件，并通過(guò)獨(dú)特的設(shè)計(jì)減少后處理步驟的需要。

材料的性質(zhì)不同

增材制造合金的性能不等同于鍛造合金或鑄造合金，增材制造材料有著自己的設(shè)計(jì)體系，由于增材制造過(guò)程中遇到溫度梯度變化，材料性能和微觀結(jié)構(gòu)可以是各向異性的。熱處理可以改變微觀結(jié)構(gòu)，使其變得更加各向同性，但一些方向上不同的幾何效應(yīng)可能仍然存在。據(jù)了解，重要的是理解材料／工藝的組合選擇。甚至是成型方向?qū)τ诩庸さ慕Y(jié)果都會(huì)帶來(lái)明顯的影響。

考慮后處理

增材制造需要考慮兩種類型的CAD模型，一種是最終的幾何形狀，包括基準(zhǔn)的確定、加工尺寸公差要求、表面光潔度要求等。另一個(gè)同樣重要的CAD模型是供3D打印設(shè)備識(shí)別加工的模型，這個(gè)模型中可補(bǔ)孔、可增加支撐結(jié)構(gòu)、增加加工余量。

不同的后處理步驟取決于所使用的材料和技術(shù)。例如，電子束熔化（EBM）技術(shù)，則不需要消除應(yīng)力或機(jī)械分離零件與基臺(tái)，但確實(shí)需要去除部分燒結(jié)粉末。激光粉末床融化（LPBF）技術(shù)則需要消除應(yīng)力，并通常需要通過(guò)電火花線切割或鋸帶過(guò)程將零件從基臺(tái)板上拆卸下來(lái)。所有金屬3D打印的熱處理通常包括熱等靜壓（HIP）工藝，以減少材料內(nèi)的空隙和孔隙率。另外，有些材料可能需要熱處理以達(dá)到所需的微觀結(jié)構(gòu)要求。

粉末熔化及脫粉的優(yōu)缺點(diǎn)

在設(shè)計(jì)零件的時(shí)候，一個(gè)重要考慮因素是如何去除粉末。電子束熔煉（EBM）最好的做法是需要在基臺(tái)上建造一定的余量，特別是如果零件有嚴(yán)格的幾何形狀要求。不銹鋼板可能會(huì)影響建造的前幾層，所以留至少3mm至5mm的部分用作建造余量，這3mm到5mm可以作為支撐結(jié)構(gòu)被去掉。EBM過(guò)程的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是：由于在整個(gè)加工過(guò)程中的低殘余應(yīng)力，設(shè)計(jì)僅需要較少的支撐，并且零件通常容易脫落。

電子束熔煉（EBM）過(guò)程中，一大考慮因素是粉末的去除，一方面，EBM預(yù)熱步驟提供了更好的零件完整性，但粉末去除是一個(gè)挑戰(zhàn)。在預(yù)熱步驟中，周圍的固體粉末部分燒結(jié)，有時(shí)使其難以從長(zhǎng)腔中除去。這部分燒結(jié)粉末并不流動(dòng)。如果你加工的是髖關(guān)節(jié)植入物，這部分粉末必須被去除，否則會(huì)對(duì)人體存在傷害隱患。對(duì)于設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)就是需要設(shè)計(jì)清掃半徑，同時(shí)最大限度地提高視線腔，使粉末去除更容易。

激光粉末床融化（LPBF）技術(shù)的加工過(guò)程中，激光系統(tǒng)提供了一個(gè)好處，即粉末容易流動(dòng)。當(dāng)需要復(fù)雜的內(nèi)腔時(shí)，激光加工技術(shù)過(guò)程提供了去除粉末的優(yōu)勢(shì)。然而，即使粉末更容易流出空腔，粉末必須在應(yīng)力消除前以及在零件從基臺(tái)上分離前去除。因此，如果內(nèi)部空腔埋在支撐結(jié)構(gòu)中或不能達(dá)到真空，就需要在零件的某些部位增加粉末去除的設(shè)計(jì)，常見(jiàn)的是添加孔到所建的模型中，事后這些孔通過(guò)補(bǔ)焊的方式來(lái)去除。

激光加工過(guò)程中，零件和基臺(tái)基本上是焊接在一起的，這增加了零件拆卸的復(fù)雜性，并增加了整個(gè)過(guò)程的時(shí)間。據(jù)了解，零件必須用機(jī)械方法如電火花線切割或鋸帶來(lái)切除。電火花線切割是一個(gè)更準(zhǔn)確的過(guò)程，所以在設(shè)計(jì)的時(shí)候去除余量基本在3mm厚，而如果用鋸來(lái)分離零件，建議至少添加5mm的余量。

熱處理

在大多數(shù)情況下，熱處理都不會(huì)改變?cè)O(shè)計(jì)，除非在熱過(guò)程中發(fā)生顯著的失真。由于殘余應(yīng)力的影響，很難通過(guò)激光熔化的方式來(lái)生產(chǎn)大的部件。EBM一般在水平和垂直方向不需要應(yīng)力消除步驟。

如果在熱處理過(guò)程中，幾何失真成為一個(gè)問(wèn)題，可以在設(shè)計(jì)過(guò)程中考慮添加一些選項(xiàng)，例如在薄壁構(gòu)件周圍加上犧牲的節(jié)點(diǎn)或框架，這樣就可以在熱處理過(guò)程中提供穩(wěn)定性。

表面光潔度補(bǔ)償

表面光潔度也取決于零件表面的建構(gòu)方向，頂面可以相對(duì)光滑，垂直的表面通常比較粗糙但具有一致的光潔度，與基臺(tái)所呈角度越趨向90°，表面越粗糙。一般來(lái)說(shuō)可以通過(guò)優(yōu)化粉末和激光參數(shù)，提高表面光潔度。不過(guò)粉末顆粒大小、激光功率、以及加工時(shí)間和表面光潔度之間存在著一定的相互制約，這需要全方面的權(quán)衡。

為了達(dá)到要求的表面光潔度，可以通過(guò)后期的機(jī)加工來(lái)完成，這就需要考慮材料的去除率和補(bǔ)償，例如，如果需要去除0．05cm的厚度，在設(shè)計(jì)的時(shí)候就需要添加0．05cm。以便后處理后， 零件將符合要求的尺寸公差。

當(dāng)試圖補(bǔ)償表面光潔度時(shí)，設(shè)計(jì)者還必須考慮過(guò)程本身的物理特性。例如，角落會(huì)表現(xiàn)出更積極的材料去除率，所以必須在這些位置提高輪廓公差。

除了外部表面光潔度，內(nèi)腔往往需要一定的暢通性，設(shè)計(jì)者必須考慮這些材料去除率和補(bǔ)償。

機(jī)加工

如前所述，大多數(shù)零件必須通過(guò)機(jī)加工的方法來(lái)獲得所需要的精度。3D打印過(guò)程不能達(dá)到關(guān)鍵公差要求，必須通過(guò)傳統(tǒng)的CNC工藝來(lái)達(dá)到一致性。設(shè)計(jì)需要考慮，如何使數(shù)控加工更有效。

設(shè)計(jì)者和制造工程師應(yīng)該合作，以了解該零件如何在數(shù)控加工過(guò)程中放置。利用增材制造的優(yōu)勢(shì)，一些必要的標(biāo)簽、引腳、孔、槽，甚至臨時(shí)處理部分都可以添加到打印過(guò)程中，以幫助適應(yīng)后期夾具和刀具的配合工序。