面向增材制造的設(shè)計(jì)（DfAM）是指結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工程師利用增材獨(dú)特的工藝優(yōu)勢(shì)去構(gòu)建產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過(guò)程。這就要求設(shè)計(jì)工程師在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中都必須時(shí)刻考慮增材制造的工藝約束對(duì)設(shè)計(jì)的影響。

隨著增材制造的應(yīng)用的普及，增材制造給產(chǎn)品設(shè)計(jì)帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)已經(jīng)愈發(fā)明顯，比如將零件進(jìn)行輕量化以及將多個(gè)零件合并到一起成為一個(gè)零件，并且提高力學(xué)性能。在每次對(duì)增材產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候都是一個(gè)思考過(guò)程，在這個(gè)過(guò)程中需要做出慎重方案決策，不光要針對(duì)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的設(shè)計(jì)，還有諸多輕量化與力學(xué)性能的條件考慮。

在全球各地的制造公司對(duì)增材制造的關(guān)注越來(lái)越多，在條件允許的情況下對(duì)產(chǎn)品零件進(jìn)行專門(mén)面向增材制造變得越來(lái)越重要。但是在很多常規(guī)零件中對(duì)增材制造來(lái)說(shuō)意義并不大，對(duì)于許多很多需要開(kāi)模的常規(guī)零件，在試驗(yàn)階段如果采用增材制造會(huì)節(jié)省很多成本，例如在汽車行業(yè)中增材制造就在前期設(shè)計(jì)階段對(duì)成本節(jié)約有著顯著的表現(xiàn)。

在增材制造領(lǐng)域中，有著不同的設(shè)計(jì)層次，分別是直接替換零件的制造工藝、改變零件微小細(xì)節(jié)以適應(yīng)增材制造工藝、專門(mén)面向增材制造的設(shè)計(jì)，這三種設(shè)計(jì)方式所帶來(lái)的結(jié)果是不同的，當(dāng)然最后一種面向AM的設(shè)計(jì)是三種中最優(yōu)的選擇，它不僅能夠?qū)崿F(xiàn)輕量化而且還可以改善零件的力學(xué)性能以及裝配難易度與所占空間的大小。

增材制造為產(chǎn)品增值

對(duì)于SLM金屬打印而言，增材制造工藝的成本非常高昂，并且其制造方式只能采用“串行”的生產(chǎn)方式，相對(duì)于傳統(tǒng)常規(guī)的制造技術(shù)增材制造的速度是非常慢的，所以我們應(yīng)該在增材制造能夠?yàn)槠鋷?lái)產(chǎn)品增值的情況下去使用。

在產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)階段，工程師們應(yīng)該根據(jù)整個(gè)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)以及零件配置的影響做出分析后，確認(rèn)零部件產(chǎn)品的制造工藝，如選擇增材制造可以使產(chǎn)品的利益最大化，再對(duì)零件進(jìn)行專門(mén)的增材制造工藝設(shè)計(jì)。

增材制造工藝在DfAM設(shè)計(jì)中應(yīng)用

1）成型方向

在我們進(jìn)行增材制造的零件設(shè)計(jì)時(shí)要針對(duì)零件不同材料的工藝局限，對(duì)零件外形也要根據(jù)工藝限制去進(jìn)行更改，同時(shí)也要考慮到材料的成型方向問(wèn)題對(duì)零件的影響。例如三周期極小曲面的Gyroid晶胞，如下圖1-Gyroid晶胞所示。

圖1-Gyroid晶胞

在打印時(shí)打印方向?yàn)榧t色箭頭方向，如果按照左圖中的邊界方式打印出來(lái)的效果是非常光滑的，而且打印風(fēng)險(xiǎn)也是非常低的，而右圖中側(cè)面邊界打印出來(lái)的效果是比較粗糙的，而且坍塌風(fēng)險(xiǎn)也是非常大的，如下圖2- Gyroid晶胞試件中所示，圖中晶胞左側(cè)是沿著打印成型方向生長(zhǎng)的，非常細(xì)膩光滑。而圖中右側(cè)橫向跨度面比較多，效果很顯然非常粗糙，所以我們?cè)谠O(shè)計(jì)的過(guò)程中，針對(duì)成型方向的考慮也是非常重要的。

圖2- Gyroid晶胞試件

2）清粉

針對(duì)SLM工藝而言，在零部件產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，也要考慮在零件打印結(jié)束后零件清粉的問(wèn)題，要至少保證零件的最小間隙不能小于具體某個(gè)數(shù)值，不同材料進(jìn)行不同最小孔徑的選擇。當(dāng)然有時(shí)在性能與工藝產(chǎn)生矛盾時(shí)，要采取一個(gè)折中的方案。

3）成型跨度

零件的較大跨度的位置表面會(huì)非常粗糙如圖3-無(wú)支撐橋所示。

圖3-無(wú)支撐橋

在上圖3中可以看到橫向水平跨度越大，成型難度就越大，其朝下的部分表面質(zhì)量會(huì)很差，并且在結(jié)構(gòu)上非常的不健全，甚至?xí)锌赡軗p毀鋪粉裝置。

4）零部件的擺放方向

在設(shè)計(jì)時(shí)不斷地考慮零件的各種打印方向，有很多原因，以保證零件能夠打印出來(lái)，以及支撐量、強(qiáng)度、表面質(zhì)量、材料性能。通過(guò)這種方式也可以根據(jù)零件的力學(xué)邊界條件，改變打印方向從而避免零件的各向異性所帶來(lái)的各種強(qiáng)度問(wèn)題，對(duì)于金屬打印影響是比較小的，而且可以通過(guò)熱處理或者其他的后處理工藝進(jìn)行解決，比如熱等靜壓。

里程碑式案例

在今年6月13日，增材制造在航空領(lǐng)域的應(yīng)用又一次迎來(lái)了里程碑式的發(fā)展，由德國(guó)漢莎航空技術(shù)公司3D打印技術(shù)中心研發(fā)的金屬增材制造支架“A-Link” 獲得歐盟航空安全局的官方適航認(rèn)證。如下圖4-A-Link3D打印支架。

圖4-A-Link3D打印支架

在此之前該零件采用的是由傳統(tǒng)的鍛造工藝制造，它的作用主要是在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣罩上固定一個(gè)環(huán)形的熱空氣通道，每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)上都具有9個(gè)A-Link零件。在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)發(fā)生震動(dòng)從而導(dǎo)致A-Link在安裝孔位置造成磨損，所以每個(gè)一段時(shí)間就要對(duì)零件進(jìn)行更換。

該零件主要受到的載荷是拉壓類型的，并且有少量的彎曲剪切載荷，這樣單一的受力邊界條件也成為了增材制造人員的開(kāi)發(fā)首選。

另外還有它的安全冗余也是非常大的，由于每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)上都有9個(gè)A-Link零件，空客公司的支架是由4個(gè)零件并聯(lián)排列的，那么就是說(shuō)在飛行過(guò)程中有一個(gè)零件發(fā)生失效，也不會(huì)造成致命性的問(wèn)題。

這樣類型的零件通過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化后對(duì)其進(jìn)行了輕量化設(shè)計(jì)，同時(shí)也節(jié)省了摸具費(fèi)用，以及定制模具的時(shí)間成本，對(duì)于需求量少且需要輕量化而且易于損耗的零件為增材制造工藝帶來(lái)了許多機(jī)會(huì)。

增材制造正處于一種快速的發(fā)展衍變的狀態(tài)，將來(lái)將會(huì)有更多的新的技術(shù)、新的軟件、新的材料去充實(shí)增材制造這個(gè)行業(yè)，并且也會(huì)有更多的公司學(xué)校去投入至增材行業(yè)，這將是一個(gè)值得人們期待的行業(yè)。

作者：

李瑞鵬  結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工程師  對(duì)增材制造設(shè)計(jì)有豐富的項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)仿真拓?fù)浣Y(jié)果對(duì)零部件進(jìn)行輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以及使用三周期極小曲面的晶胞進(jìn)行換熱器結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，針對(duì)打印工藝對(duì)傳統(tǒng)工業(yè)設(shè)計(jì)零件面向增材工藝優(yōu)化。

來(lái)源：中國(guó)3D打印網(wǎng)