重磅干貨：增材制造設(shè)計(jì)的基本準(zhǔn)則要素

2020年4月，南極熊將發(fā)布以“如何把3D打印制造引入工業(yè)應(yīng)用生產(chǎn)”為主題的重磅系列干貨研究報(bào)告，非常專(zhuān)業(yè)，讓你了解這個(gè)技術(shù)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的難點(diǎn)、方法、竅門(mén)。

原內(nèi)容出自：歐洲耗時(shí)兩年、耗資210萬(wàn)歐元的研究項(xiàng)目《AM 4 Industry》
譯者：北京化工大學(xué)英藍(lán)實(shí)驗(yàn)室  吳懷松、何其超、程月、王皓宇、張秀、劉俊豐

報(bào)告：

• 《激光束熔化（LBM）增材制造缺陷因素》：http://www.lhkhtyz.com/thread-140663-1-1.html
• 《增材制造的近輪廓冷卻通道的設(shè)計(jì)和仿真研究》：http://www.lhkhtyz.com/thread-140773-1-1.html
• 《增材制造質(zhì)量?jī)?yōu)化和成本分析》http://www.lhkhtyz.com/thread-140728-1-1.html
  

下面是報(bào)告《增材制造設(shè)計(jì)的基本準(zhǔn)則要素》

增材制造設(shè)計(jì)的基本準(zhǔn)則要素

目錄
1簡(jiǎn)介        1
1.1為什么使用增材制造（ AM）？        1
1.2對(duì)于復(fù)雜形狀的設(shè)計(jì)有什么指導(dǎo)？        4
2 AM的主要方面        7
2.1不同的技術(shù)        7
2.1.1容器內(nèi)光聚合（SLA）        7
2.1.2材料擠出（又名熔融沉積模型——FDM）        9
2.1.3材料噴射        11
2.1.4粘結(jié)劑噴射        12
2.1.5粉末床熔合        13
2.1.6定向能量沉積        15
2.1.7片層壓        16
2.1.8總結(jié)        16
2.2原材料        17
2.3支撐結(jié)構(gòu)        22
2.3.1在AM為什么需要支撐？        24
2.3.2我們?yōu)槭裁匆�去除支撐�?nbsp;       28
2.3.3設(shè)計(jì)師能做什么？        31
2.4表面質(zhì)量        34
2.4.1原材料的影響        34
2.4.2工藝偏差的影響        36
2.4.3層厚影響        39
2.5準(zhǔn)確度        40
2.6時(shí)間方面        41
3  對(duì)設(shè)計(jì)的影響        41
4結(jié)論        43

插圖
圖 1：用于注塑面臨的限制的基本設(shè)計(jì)規(guī)則        1
圖 2：加工過(guò)程中的刀具可接近性問(wèn)題，降低了可實(shí)現(xiàn)的幾何復(fù)雜性        2
圖 3：增材制造與傳統(tǒng)制造業(yè)相比的成本效益機(jī)會(huì)（綠色區(qū)域        2
圖 4：拓?fù)鋬?yōu)化(右側(cè)，白色顯示)的一個(gè)傳統(tǒng)的做法(左側(cè)，顯示深灰色)        5
圖 5：“自上而下水流”的思維方式來(lái)預(yù)測(cè)增材制造中的熱問(wèn)題        6
圖 6：增材制造系列        7
圖 7：容器內(nèi)光聚合原理，帶激光        8
圖 8：帶DLP的容器內(nèi)光聚合        9
圖 9：帶DLP的容器內(nèi)光聚合        10
圖 10：AM中的典型粗糙度分布（線基或粉末基工藝        10
圖 11：材料噴射原理        11
圖 12：粘合劑噴射原理        12
圖 13：粉末床熔合（激光金屬）原理        13
圖 14：選擇性激光燒結(jié)原理        15
圖 15：定向能量沉積原理        16
圖 16：SLS過(guò)程結(jié)束時(shí)的原材料去除步驟        18
圖 17：將要生產(chǎn)的空心立方體        18
圖 18：當(dāng)?shù)谝粚颖恢圃鞎r(shí)，所有區(qū)域都被激光加工        19
圖 19：中間層制造時(shí)，側(cè)壁被激光加工        19
圖 20：最后一層的處理密封立方體        19
圖 21：考慮“更容易清洗”的設(shè)計(jì)修改        20
圖 22：從組件功能開(kāi)始的設(shè)計(jì)過(guò)程。傳統(tǒng)與AM設(shè)計(jì)方法的比較        20
圖 23：外部組件中帶有集成粉末排出通道的球頭        21
圖 24：采用排粉方法的車(chē)軸設(shè)計(jì)        21
圖 25：內(nèi)部已成功清洗的復(fù)雜零件示例        22
圖 26：支撐結(jié)構(gòu)與實(shí)際零件體積的比較示例        23
圖 27：根據(jù)選定的零件方向，需要支撐的突出區(qū)域        23
圖 28：支撐加固第一層        24
圖 29：SLA過(guò)程中實(shí)際支撐加固部件的示例        25
圖 30：缺少支撐對(duì)懸壁區(qū)域的影響。越長(zhǎng)，效果越差        25
圖 31：由于支撐結(jié)構(gòu)缺失，熱疏散不良，導(dǎo)致部分坍塌        26
圖 32：由于缺乏支撐，懸挑長(zhǎng)度對(duì)下表面質(zhì)量的影響，導(dǎo)致散熱不良        26
圖 33：表面方向?qū)Ρ砻尜|(zhì)量的影響        27
圖 34：兩種不同層配置的俯視圖        27
圖 35：由于支撐結(jié)構(gòu)薄弱，無(wú)法抵消內(nèi)部熱應(yīng)力，導(dǎo)致零件在加工過(guò)程中分層        28
圖 36：設(shè)計(jì)調(diào)整示例，以便于加工后拆除支撐        29
圖 37：支撐連接對(duì)區(qū)域表面質(zhì)量的影響-1        30
圖 38：支撐連接對(duì)區(qū)域表面質(zhì)量的影響-2        30
圖 39：AM中的主要設(shè)計(jì)提示。盡可能“垂直”地設(shè)計(jì)零件        31
圖 40：“垂直”設(shè)計(jì)，特別適合AM，減少了對(duì)支撐結(jié)構(gòu)的需求        33
圖 41：在較短的節(jié)段中重新設(shè)置長(zhǎng)度，以避免導(dǎo)致彎曲的高應(yīng)力（與直線長(zhǎng)度成比例        33
圖 42：部分熔融粉末顆粒對(duì)表面的影響，粗糙度增加        34
圖 43：金屬粉末的粉末床熔化過(guò)程的實(shí)際表面形貌        34
圖 44：層厚對(duì)表面質(zhì)量的影響，主要是“臺(tái)階效應(yīng)”        35
圖 45：制造方式選擇的影響。層厚相同：左側(cè)FDM，右側(cè)SLA        36
圖 46：層密度變化對(duì)熱過(guò)程的影響        37
圖 47：長(zhǎng)(下)和短(上)冷卻時(shí)間之間的過(guò)渡線在小零件的制造結(jié)束后        37
圖 48：生成“收縮線”的連續(xù)步驟        38
圖 49：由于局部粉末分布不均勻，導(dǎo)致熔體質(zhì)量差，可以看見(jiàn)明顯的線條        38
圖 50：50層厚對(duì)表面質(zhì)量和制造時(shí)間的影響        39
圖 51：由于零件幾何形狀而產(chǎn)生“臺(tái)階效應(yīng)”的區(qū)域        39
圖 52：組件功能的3D地圖定義        42
圖 53：第一個(gè)簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)方案        42
圖 54：相同的設(shè)計(jì)但不同的對(duì)齊方式可以改變所需的支持?jǐn)?shù)量        43
圖 55：根據(jù)所選方向調(diào)整設(shè)計(jì)，以盡量減少后處理操作        43

1.簡(jiǎn)介
增材制造（AM）可以制造任意幾何形狀的零件，因此設(shè)計(jì)師容易設(shè)計(jì)出令人驚嘆的幾何圖形，但是零件的質(zhì)量不一定可以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)師的需求。零件可出現(xiàn)能變形、表面質(zhì)量差、光潔度可能低于預(yù)期或超出公差范圍等問(wèn)題。

設(shè)計(jì)師可以做些事情來(lái)解決這些問(wèn)題，考慮一些基本的因素將使它們的零件更易于制造。如果制造工藝更容易一些，最終質(zhì)量也會(huì)提高，甚至有時(shí)能在不犧牲性能的情況下降低成本。

本文檔旨在介紹各種增材制造機(jī)器的工作原理，這將有助于讀者理解為什么增材制造中會(huì)有一些設(shè)計(jì)規(guī)則，以及為什么它們存在。
這樣，設(shè)計(jì)師可以為選定的增材制造技術(shù)創(chuàng)建優(yōu)化的形狀，這意味著更好的完工后的質(zhì)量和更低的后處理成本。
這項(xiàng)工作由Sirris研究中心進(jìn)行，是Cornet項(xiàng)目AM4I工業(yè)增材制造的一部分。

1.1為什么使用增材制造（ AM）？與傳統(tǒng)制造的相對(duì)成本計(jì)算
使用傳統(tǒng)技術(shù)(如機(jī)械加工和注射成型)有很多優(yōu)點(diǎn)。所有的減法工藝(電火花加工、車(chē)削、銑削等)都能在所有可使用的材料上制造出反射表面光潔度和微米級(jí)精度的零件精度。注塑成型有相當(dāng)多的設(shè)置，但一旦設(shè)置好這些設(shè)置，產(chǎn)量(每時(shí)間單位的零件產(chǎn)量)是非常高的，這通常是批量生產(chǎn)的唯一方法。

圖 1：用于注塑面臨的限制的基本設(shè)計(jì)規(guī)則

但是，這個(gè)行業(yè)面臨的挑戰(zhàn)越來(lái)越復(fù)雜，以至于有時(shí)用傳統(tǒng)的技術(shù)根本無(wú)法實(shí)現(xiàn)滿(mǎn)足特定功能的幾何結(jié)構(gòu)，有時(shí)這是由于在加工過(guò)程中工具的可接近性，或是由于必須在注塑過(guò)程中打開(kāi)模具才能在不損壞零件的情況下取回零件，有時(shí)，這僅僅是因?yàn)楫a(chǎn)品太小（單個(gè)產(chǎn)品），不符合成本效益，也不值得為此付出工具成本。

圖 2：加工過(guò)程中的刀具可接近性問(wèn)題，降低了可實(shí)現(xiàn)的幾何復(fù)雜性

上述相當(dāng)嚴(yán)重的限制可能會(huì)阻礙零件變得更輕、更高效、更快，或者早期原型無(wú)法更早地用于重復(fù)和改進(jìn)它們。此外，在成本方面，傳統(tǒng)技術(shù)的能力可以大致估計(jì)，增材制造相關(guān)的機(jī)會(huì)出現(xiàn)了 。

圖 3：增材制造與傳統(tǒng)制造業(yè)相比的成本效益機(jī)會(huì)（綠色區(qū)域

圖3顯示了在傳統(tǒng)制造（CM）中哪些是具有成本優(yōu)勢(shì)的，以及在使用增材制造（ AM）時(shí)什么時(shí)候是更有經(jīng)濟(jì)效益的。
眾所周知，對(duì)傳統(tǒng)方法生產(chǎn)的零件數(shù)量而言，機(jī)器生產(chǎn)的零件量越大，單位成本就越低，如果要生產(chǎn)的數(shù)量減少太多，模具成本會(huì)使相對(duì)成本太高而變得無(wú)利可圖。這一部分由藍(lán)色曲線表示，虛線限制表示生產(chǎn)的零件數(shù)量變得太少。

與傳統(tǒng)加工成本相關(guān)的幾何復(fù)雜性而言，這種趨勢(shì)更像是紅色曲線。低復(fù)雜度意味著低成本，但如果零件對(duì)于技術(shù)來(lái)說(shuō)太復(fù)雜，則成本可能會(huì)變得太大，或者由于技術(shù)原因而無(wú)法制造，此限制用紅色虛線表示 。

如果考慮增材制造（綠色虛線），那么目前生產(chǎn)單個(gè)零件是相當(dāng)昂貴的（位于圖的右側(cè)）。另一方面，高昂的價(jià)格不會(huì)隨著生產(chǎn)零件的數(shù)量或其復(fù)雜性而有太大的變化。假設(shè)增材制造中的在兩種情況下與傳統(tǒng)制造業(yè)相比是更具經(jīng)濟(jì)效益的：
•可能制造非常復(fù)雜的零件
•需要少量的零件

這也意味著，如果選定的部分在圖中綠色區(qū)域的其他位置（生產(chǎn)成本較低，不太復(fù)雜，數(shù)量相當(dāng)大），則不應(yīng)使用增材制造來(lái)生產(chǎn)它們，否則將虧本，或存在與當(dāng)前增材制造不確定性相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)。

增材制造（ AM）有許多優(yōu)點(diǎn)：
•與機(jī)械加工相比，優(yōu)化設(shè)計(jì)可明顯的減少材料浪費(fèi)。
•由于采用逐層堆疊方法，可以很容易控制加工零件內(nèi)部，因此設(shè)計(jì)師可以實(shí)現(xiàn)比傳統(tǒng)技術(shù)更復(fù)雜的設(shè)計(jì)（內(nèi)腔、輕質(zhì)結(jié)構(gòu)、通道等）。
•單步制造消除了制造過(guò)程中的工裝，無(wú)需模具或特殊裝置將零件放置在機(jī)器中。
•能加工聚合物、金屬和陶瓷中的多種材料。
•粗略地說(shuō)，幾何復(fù)雜度不會(huì)增加成本。換句話說(shuō)，傳統(tǒng)技術(shù)很難做一個(gè)非常輕，有3D網(wǎng)格、集成通道和鏈接的零件，在同等高度和材料體積的立方體塊情況下。
•可以在一次操作中生產(chǎn)制造不同的零件（尺寸、復(fù)雜度等），而模具只能生產(chǎn)固定設(shè)計(jì)的模型。
•一些增材制造技術(shù)可以生產(chǎn)由不同材料制成的零件。
•一些功能(彈簧、鉸鏈、齒輪、旋轉(zhuǎn)軸等)可以集成設(shè)計(jì)，這不需要任何后組裝步驟，而可以直接從 增材制造機(jī)器完成 。
•從CAD制圖開(kāi)始到制作成成品準(zhǔn)備使用，生產(chǎn)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)體積(300 x300x400 mm3)的周期通常是不到一個(gè)星期，它對(duì)于早期迭代開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品非常實(shí)用，隨后是注塑模具的大規(guī)模生產(chǎn)。
•適應(yīng)，標(biāo)簽，紋理，保形冷卻通道，減重，都變得便宜多了。

但當(dāng)然也有一些局限性需要注意：
•對(duì)于小于100毫米的工件，在標(biāo)準(zhǔn)的調(diào)幅機(jī)床上可獲得的最佳幾何精度為0.1毫米。超過(guò)這個(gè)尺寸，必須考慮0.1%。根據(jù)材料、工藝和零件體積的不同，這個(gè)值甚至可以達(dá)到0.3%。因此，后期處理通常是必要的。
•打印尺寸有限制，例如難以一次打印生產(chǎn)大型零件，如汽車(chē)保險(xiǎn)杠或桌子。平均而言，目前SLM激光金屬3D打印工業(yè)機(jī)器可達(dá)到的最大尺寸約為800毫米 。但也有可以生產(chǎn)4000x2000x1000毫米的砂型，甚至有混凝土墻的房屋，或一個(gè)由“聚合物+碳”擠出機(jī)制造的小型車(chē)輛外殼。
•許多AM技術(shù)需要支撐結(jié)構(gòu)。粗略地說(shuō)，這種結(jié)構(gòu)將零件連接到構(gòu)件平臺(tái)。它可以防止部件在制造過(guò)程中移動(dòng)。它是由機(jī)器和零件本身同時(shí)制造的。麻煩的是，這種結(jié)構(gòu)必須在制造后拆除，這需要一個(gè)完成步驟來(lái)從零件上拆除支撐。該結(jié)構(gòu)在第2.3節(jié)中有更詳細(xì)的描述。
•制造完成后，原材料在零件周?chē)�、空腔、縫隙、通道、孔等處隨處見(jiàn)，如果設(shè)計(jì)沒(méi)有考慮到這一點(diǎn)，那么將這種原材料從狹窄的空間中清除是非常困難的（見(jiàn)第2.2節(jié)）。
•有些技術(shù)生產(chǎn)具有各向異性機(jī)械性能的零件，特別是廉價(jià)的機(jī)器和“巨大”的層厚（>100μm）。然而，在大多數(shù)AM技術(shù)中，這種機(jī)械各向異性不是很明顯。


一個(gè)好的設(shè)計(jì)師是AM領(lǐng)域最寶貴的資源。他能夠調(diào)整零件的形狀以滿(mǎn)足要求，而且也能夠考慮到所有有利于制造和后處理的因素。
高效和易于生產(chǎn)的設(shè)計(jì)是使AM盈利的唯一途徑。

1.2對(duì)于復(fù)雜形狀的設(shè)計(jì)有什么指導(dǎo)？
現(xiàn)在，AM正在打開(kāi)一個(gè)可以實(shí)現(xiàn)幾何復(fù)雜性的全新空間，設(shè)計(jì)師們變得越來(lái)越強(qiáng)大，有點(diǎn)像哆啦A夢(mèng)：可以制造出大量新奇有趣的東西。但有困難！幸運(yùn)的是，有一些軟件使得拓?fù)鋬?yōu)化成為可能。

為了簡(jiǎn)化問(wèn)題，這種軟件的目標(biāo)是在給定的可用體積中，分配預(yù)定義的材料量，以便通過(guò)最大化剛度等標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)化對(duì)特定荷載情況的響應(yīng)。這種軟件的輸出是指定體積的體素化，其中每個(gè)體素都有一個(gè)計(jì)算的密度（從最關(guān)鍵的體素的100%全密度到參與較少的體素的0%空體積）。然后，用戶(hù)選擇應(yīng)作為觸發(fā)器的密度值。例如，他可以決定觸發(fā)密度應(yīng)該是50%。密度高于50%的每個(gè)體素將被設(shè)置為“完全密度”，值低于50%的每個(gè)體素將被視為空。這一過(guò)程產(chǎn)生具有最佳質(zhì)量分布的非常有機(jī)的形狀。然后，必須在FEM中對(duì)模具進(jìn)行測(cè)試，以檢查其在施加載荷下的性能。如果沒(méi)有優(yōu)化（太脆弱、太重或太�。�，則必須檢查迭代循環(huán)以更改密度觸發(fā)器并考慮更多或更少的材料。圖4顯示了零件重量改進(jìn)的示例：

圖 4：拓?fù)鋬?yōu)化(右側(cè)，白色顯示)的一個(gè)傳統(tǒng)的做法(左側(cè)，顯示深灰色)

圖 5：“自上而下水流”的思維方式來(lái)預(yù)測(cè)增材制造中的熱問(wèn)題

此外，所有制造問(wèn)題都與過(guò)程中通過(guò)零件的熱流有關(guān)，或者與懸臂部分有關(guān)。促進(jìn)AM組件的制造和減少后處理的一種有效方法，設(shè)想水必須在每層的選定位置從上到下自由地流過(guò)（想象中的空心）組件。下面是幾個(gè)例子。

簡(jiǎn)要說(shuō)明：如果必須制造圖5中的“L”形零件，可以選擇機(jī)器中的幾個(gè)位置。對(duì)于位置1，第一層的橫截面相當(dāng)大。所以可以提供很多能量來(lái)熔化粉末，還有很多能量可以到達(dá)平臺(tái)。當(dāng)比較“自上而下水流”時(shí)，假設(shè)該部分被挖空，使其成為具有相同橫截面的管道。按比例有大量的水需要疏散（因?yàn)闄M截面很大），如果有大的區(qū)域（大量能量需要分散）或一個(gè)收縮的管道低于當(dāng)前層的某處，可能導(dǎo)致“溢出”（過(guò)熱）。這有時(shí)是一個(gè)危險(xiǎn)的情況，但設(shè)計(jì)和選擇的方法可以處理這個(gè)問(wèn)題。在位置1的下一個(gè)步驟中變得更容易（直下，沒(méi)有縮頸，很少能量輸入），因此在這個(gè)配置中，一切都應(yīng)該很好，即使早期階段需要仔細(xì)檢查。

在位置2，初始層和中間層將非常簡(jiǎn)單（恒定截面，較少的能量輸入），但會(huì)在最終層造成許多問(wèn)題。用于排出“溢流”的部分比輸入部分要薄得多。而且，這種變化非常突然，懸臂區(qū)左側(cè)的“水滴”沒(méi)有得到適當(dāng)疏散。根據(jù)“水流”的考慮，在實(shí)際過(guò)程中這種“水滴”積聚被解釋為熱量積聚，即導(dǎo)致該區(qū)域堵塞，部分部件可能分層或扭曲。

AM設(shè)計(jì)師的目標(biāo)是畫(huà)出沒(méi)有懸挑區(qū)域、沒(méi)有積水區(qū)域以及最薄區(qū)域的零件，以減少散熱。

2 AM的主要方面
2.1不同的技術(shù)
在增材制造中，有幾種不同的制造零件的方法。美國(guó)材料試驗(yàn)學(xué)會(huì)目前提供七類(lèi)。它們都顯示在下圖的頂部：
由于它們的工作方式不同，如果要為選定的方法設(shè)計(jì)一個(gè)零件，每一種方法遵守一些特殊的規(guī)則。讓我們簡(jiǎn)單地考慮一下不同的原則：

圖 6：增材制造系列

2.1.1光聚合（SLA）
這種技術(shù)的原料是一種液體樹(shù)脂，它是一種光敏聚合物。當(dāng)來(lái)自燈或激光的紫外光照射到這種液體時(shí)，它就會(huì)局部凝固。

這臺(tái)機(jī)器看起來(lái)有點(diǎn)像油炸鍋。首先在液體表面下方(約0.02毫米)放置一個(gè)穿孔板，并用紫外線激光跟蹤該組件的核心和平板上第一層的輪廓。從而聚合或固化板孔周?chē)�的液體。因此，第一層錨定在板上。然后，再將板更深地水平放入相同量（約0.02mm）的液體中，以允許一些樹(shù)脂在前一層上形成薄膜。然后，紫外激光聚合第2層，并重復(fù)該過(guò)程，直到生產(chǎn)出所有零件。最后，該板位于樹(shù)脂箱的底部，該部分位于液體表面和該板之間。技術(shù)員可以把板上面的零件拿出來(lái)，就像人們從油鍋里拿出炸薯片一樣。

圖 7：容器內(nèi)光聚合原理，帶激光

圍繞這一原則可以看出一些技術(shù)差異：
一個(gè)單束激光通常需要很長(zhǎng)時(shí)間來(lái)處理一整個(gè)層。因此，帶有紫外線燈的投影儀也可以在一次閃光中處理整個(gè)表面。粗略地說(shuō)，這比激光要快，但根據(jù)投影儀的分辨率，零件的邊緣可能會(huì)輕微變形，而激光會(huì)使曲線平滑。

一罐和你想生產(chǎn)的零件一樣大的樹(shù)脂可能要花費(fèi)很多錢(qián)（一些仿制ABS的樹(shù)脂可能要300歐元/升左右）。因此，一些技術(shù)人員更喜歡在投影儀所在的透明玻璃上涂少量樹(shù)脂。它還使用一個(gè)從液體向上移動(dòng)的板，固體固定在上面，而不是向下進(jìn)入樹(shù)脂罐。

圖 8：帶DLP的容器內(nèi)光聚合

該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是零件保持一定的精度和表面質(zhì)量。表面沒(méi)有粘性的粉末顆粒，打印完成后甚至可以透明。變形是很細(xì)微的，最小變形可以達(dá)到0.1毫米，對(duì)于珠寶行業(yè)十分有用。

但是，根據(jù)應(yīng)用情況，材料的老化可能是一個(gè)問(wèn)題。在陽(yáng)光下曬一段時(shí)間后，這種材料會(huì)變得比預(yù)期的更脆。
DSM-Somos是主要的增材制造的樹(shù)脂制造商之一，可以提供各種不同性質(zhì)的材料。相關(guān)的數(shù)據(jù)表也可以在他們網(wǎng)站上找到。

2.1.2材料擠出（又名熔融沉積模型——FDM）
這項(xiàng)技術(shù)的工作就像牙膏涂在牙刷上一樣。原料是一種普通的聚合物（聚乳酸，ABS，PP，PS等），通常呈線狀，通過(guò)加熱的噴嘴進(jìn)行機(jī)械施壓。這會(huì)使聚合物稍微熔化。在出口處，熔珠被壓在前一層上，打印頭在工作區(qū)內(nèi)移動(dòng)以打印軌跡。該零件是通過(guò)堆疊軌道生產(chǎn)的。

圖 9：帶DLP的容器內(nèi)光聚合

這項(xiàng)技術(shù)非常適合生產(chǎn)空心零件，如管道、外殼或外殼。主要原因是噴嘴的位移速度，與反射鏡驅(qū)動(dòng)的激光點(diǎn)相比，噴嘴的位移速度非常有限，后者可以達(dá)到每秒幾米。為了達(dá)到合理的生產(chǎn)速度，增材制造系列擠壓材料比其他增材制造聚合物技術(shù)沉積更厚的層（>0.1 mm），并盡量減少填充組件芯，即使它需要做很少的外部輪廓。因此，目標(biāo)不是要生產(chǎn)出一個(gè)完整、致密的零件，而是要生產(chǎn)出一個(gè)足夠厚、能夠產(chǎn)生足夠強(qiáng)度的外殼。該工藝允許在負(fù)載情況允許的情況下更快地生產(chǎn)批量和大量組件。

使用金屬絲代替粉末的優(yōu)點(diǎn)是表面光潔度，即使層跡清晰可見(jiàn)且具有顯著的粗糙度，表面也相當(dāng)光滑。

圖 10：AM中的典型粗糙度分布（線基或粉末基工藝

此外，由于不存在粘性粉末顆粒，因此表面非常干凈，不存在松散的材料殘留物。
但是，材料擠壓所能達(dá)到的最小精度并不是很夠。與其他AM聚合物技術(shù)相比，很難找到小于1mm的最小壁厚，并且力學(xué)性能的各向異性也非常明顯。
這些擠出技術(shù)應(yīng)用的材料非常廣泛。甚至還有一些復(fù)合電線（聚合物+纖維或金屬粉末混合），有些技術(shù)還可以直接使用注射成型或金屬注射成型（MIM）的顆粒。

2.1.3材料噴射
其目的是沉積感光液體材料（聚合物），就像紙打印機(jī)使用傳統(tǒng)墨水一樣。在機(jī)器內(nèi)部有一個(gè)打印頭，可以像素化圖層，并選擇哪種材料存放在哪種像素。由于它是一個(gè)多噴嘴打印頭，其中一些可以沉積白色和強(qiáng)大的材料，而其他可以沉積黑色和韌性材料。在新技術(shù)中，最多可以同時(shí)使用六種材料，包括透明材料。

圖 11：材料噴射原理

這允許用戶(hù)設(shè)定任何體素的一部分的化學(xué)成分、機(jī)械性能、顏色、透明度等。

由于沉積液滴很小，因此所需的支撐結(jié)構(gòu)非常致密和狹窄，以支撐從打印頭上落下的樹(shù)脂液滴。它看起來(lái)更像是一個(gè)“泡沫”，而不是網(wǎng)格/三維網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。因此，與所需支撐數(shù)量相比，采用該技術(shù)浪費(fèi)的材料非常多。幸運(yùn)的是，這種特殊的支撐材料可以很容易地被水射流移除，即使這種材料非常膨脹。

材料性能與立體光刻/容器內(nèi)光聚合中使用的所有環(huán)氧樹(shù)脂/丙烯酸酯樹(shù)脂相同。由于紫外線照射，材料的老化仍然是一個(gè)問(wèn)題；隨著時(shí)間的推移，零件會(huì)變得更脆。
由于校平（層厚小于14μm），該工藝在Z方向的精度非常好，與激光的平滑輪廓相比，XY平面中的輪廓略微像素化（約600 dpi分辨率）。

在使用這種技術(shù)時(shí)，幾乎沒(méi)有影響精度的現(xiàn)象。其優(yōu)點(diǎn)是非常容易處理；不需要工程知識(shí)；幾乎所有的設(shè)計(jì)都是自動(dòng)化的（包括支撐生成），適應(yīng)性強(qiáng)。

2.1.4粘結(jié)劑噴射
粘合劑噴射包括在每一層和兩個(gè)連續(xù)層之間將粉末顆粒粘合在一起。粘合劑/膠水以小液滴的形式從打印頭上沉積下來(lái)，可以在整個(gè)工作表面上移動(dòng)。

圖 12：粘合劑噴射原理

有時(shí)可以在與粘合劑平行的部件輪廓上涂上顏色。

這適用于白色粉末，如石膏。即使零件在打印完成后狀態(tài)下是易碎的（大約40%的孔隙率，取決于粉末的大小和分布），對(duì)于一些不需要強(qiáng)度的美學(xué)演示來(lái)說(shuō)，這可能就足夠了。零件可以通過(guò)涂覆固化涂層（如樹(shù)脂或清漆）進(jìn)行加固。

有些金屬零件也是這樣做的。為了消除粘合劑表面的弱點(diǎn)，有兩種選擇：一是零件打印完成后在爐中燒結(jié)。燒結(jié)是一種熱過(guò)程，使粉末顆粒之間的間隙稍微縮小。由于在燒結(jié)過(guò)程中不添加任何材料，所以會(huì)出現(xiàn)明顯的收縮（體積減少20%以上）。如果零件很小，則可以對(duì)該過(guò)程進(jìn)行控制和補(bǔ)償，使最終幾何圖形非常接近原始CAD模型。對(duì)于較大的零件，由于收縮而產(chǎn)生的位移非常明顯，因此會(huì)發(fā)生變形，并且零件很快超出公差范圍。優(yōu)點(diǎn)是材料方面比較單一，精度和表面質(zhì)量都比較好，但幾乎只適用于小零件(< 50mm)。

第二種選擇是滲透多孔“填充”材料，為此選擇合適的滲透劑。這就需要一種熔點(diǎn)比3D打印材料的熔點(diǎn)低的材料，并且二者在高溫下具有良好的潤(rùn)濕性。比較良好的組合如：用316L不銹鋼制成的零件，滲有青銅。由于滲有其他物質(zhì)的特性，在高溫下表面易會(huì)融化。由于后者是多孔的，并且具有良好的潤(rùn)濕性，滲透可以通過(guò)毛細(xì)作用穿透該組分，并填充粉末顆粒之間的所有間隙，以獲得良好的最終機(jī)械性能。這大大減少了收縮，可以生產(chǎn)更大的零件。由于熱熔發(fā)生在熔爐中，加熱和冷卻速度很慢，從而將內(nèi)應(yīng)力降至最低。這種方法允許生產(chǎn)更大的零件（高達(dá)800毫米），體積更大的零件。缺點(diǎn)是“復(fù)合方面”（不是單一材料）和粗糙度類(lèi)似于砂型鑄造。

2.1.5粉末床熔合
在這種情況下，目的是用能量束（激光或電子束）選擇性地熔化粉末層。當(dāng)能量點(diǎn)在粉末上移動(dòng)時(shí)，形成一條焊接路徑。這樣，就可以覆蓋所有組件區(qū)域。完成一層后，工作板向下移動(dòng)一段與該層厚度相對(duì)應(yīng)的距離（30-90μm），并用刮片涂抹新的粉末層。在標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)器上運(yùn)作時(shí)，每層的平均處理時(shí)間在30秒到2分鐘之間（取決于融化面積的比例），重復(fù)該過(guò)程，直到零件完全制造完畢。

2.1.5.1激光熔化金屬粉末（LBM）

圖 13：粉末床熔合（激光金屬）原理

由于這一原理，熔化池的冷卻非�？欤ㄒ环N局部淬火），導(dǎo)致金屬中的高熱應(yīng)力。如果不解決這個(gè)問(wèn)題，部件會(huì)因這些應(yīng)力而變形。為了防止零件扭曲，必須將其固定在足夠堅(jiān)硬或厚而不會(huì)彎曲的剛性板上。零件與板材之間的連接為“支撐結(jié)構(gòu)”，由機(jī)器在加工過(guò)程中與零件同時(shí)制造。其目的是創(chuàng)造一種犧牲結(jié)構(gòu)（由與部件相同的材料制成），其強(qiáng)度足以避免變形，但在消除應(yīng)力退火后易于機(jī)械移除。這種熱處理是在打印完成后進(jìn)行的。所有部件仍固定在底板，被放置在一個(gè)傳統(tǒng)的熱處理爐中進(jìn)行循環(huán)應(yīng)力消除。

這一步如果控制得當(dāng)，將沒(méi)有殘余應(yīng)力殘留，零件幾乎沒(méi)有變形。然后，必須使用機(jī)加等手段拆除支撐結(jié)構(gòu)，如果支撐太多，則需要花費(fèi)時(shí)間和成本。
激光熔融金屬3D打印，可以制造出良好的金屬零件，最小壁厚約0.2毫米。表面光潔度和零件密度好，可用材料范圍大，機(jī)械性能大致位于鑄造和鍛造之間（甚至達(dá)到鍛造水平）。

缺點(diǎn)是支撐結(jié)構(gòu)。零件越大，就需要更多的支撐來(lái)防止變形，特別是當(dāng)截面在水平面（收縮截面）較長(zhǎng)時(shí)。在標(biāo)準(zhǔn)機(jī)器（SLM Solution的SLM 800）上，激光技術(shù)可以達(dá)到的打印尺寸為500x280x800 mm。也有一些特殊的尺寸，例如來(lái)自GE的BETA（ATLAS項(xiàng)目-1100x1100x300 mm）。

2.1.5.2電子束熔化金屬粉末（EBM）
如果熱源是電子束，就有一些明顯的區(qū)別。首先，電子束是在真空條件下。因此，機(jī)器結(jié)構(gòu)比激光技術(shù)強(qiáng)得多；激光技術(shù)主要是在氬氣氛下。真空也可以達(dá)到很好的隔熱作用。機(jī)器在打印成型倉(cāng)內(nèi)達(dá)到700-1000°C。這導(dǎo)致生產(chǎn)過(guò)程中幾乎“無(wú)”冷卻，即“無(wú)”熱應(yīng)力。因此，與通常在200°C下工作的激光技術(shù)相比，該工藝需要的支撐要少得多。其主要任務(wù)是驅(qū)走熱量，而不是避免變形。這允許制造更大的零件，但材料范圍更為有限（鈦、鈷鉻合金和鎳合金）。

電子束的缺點(diǎn)是周?chē)�粉末的燒結(jié)（通過(guò)高溫預(yù)熱），和激光技術(shù)相比，表面質(zhì)量差點(diǎn)（Ra20-35μm）。未完全熔融的燒結(jié)粉末更難從內(nèi)腔中去除，因?yàn)槲唇?jīng)改變的粉末很容易通過(guò)傾斜而離開(kāi)零件。

2.1.5.3激光熔化聚合物粉末（SLS）
粉末床應(yīng)用于PA、TPU、PP、PS等高分子材料時(shí)，無(wú)需支撐。這是因?yàn)槿紵�室�?nèi)的溫度約為熔點(diǎn)的95%。因此沒(méi)有冷卻，即沒(méi)有熱應(yīng)力。以至于零件周?chē)�的燒結(jié)粉末足以作為支撐。直接的優(yōu)點(diǎn)是零件可以堆放在打印成型堆中，從而提高生產(chǎn)率。此外，不需要拆下焊接到零件上的支撐。然而，去除部件周?chē)�的燒結(jié)的粉末可能會(huì)很繁瑣，特別是在狹窄的空腔中。

圖 14：選擇性激光燒結(jié)原理

此外，加工過(guò)程中機(jī)器內(nèi)部的高溫加速了原料的老化。例如，新一批粉末通常是50%原始粉末+50%回收粉末的混合物，用于PA12。20%新+80%回收對(duì)TPU更好。當(dāng)然，還有一個(gè)成本因素。

設(shè)計(jì)師嘗試將粉末床熔合應(yīng)用于金屬粉末的目的之一是，通過(guò)設(shè)計(jì)一個(gè)沒(méi)有向下水平表面的部件來(lái)擺脫支撐(見(jiàn)2.3)。換句話說(shuō)，就是要設(shè)計(jì)一個(gè)沒(méi)有橫截面的自立式設(shè)計(jì)。

2.1.6定向能量沉積
這是一種和銑床完全相反的方法。銑床是把材料去掉，而定向能量沉積是增加材料。安裝在機(jī)器人或CNC機(jī)器上的多軸噴嘴將安裝指定路徑焊接在一起，從而開(kāi)始制造零件；也可以修復(fù)或覆蓋現(xiàn)有的零件。原料可以是粉末或絲材，包括金屬或陶瓷材料。下面是熔化溫度高的材料的熔融沉積模型。

圖 15：定向能量沉積原理

一個(gè)好的方面是，這項(xiàng)技術(shù)可以在非平面上工作。這使得厚涂層(從0.1毫米到幾毫米)或3D功能可以應(yīng)用或添加到復(fù)雜的部件。

此外，使用通過(guò)噴嘴吹出的粉末流，而不是使用刮片進(jìn)行粉末的分配，具有改變材料組成的優(yōu)點(diǎn)。不同閥門(mén)可以調(diào)節(jié)來(lái)自不同容器的粉末流，以便在制造過(guò)程中逐漸混合。這造成了不同CTE的合金，如金屬和陶瓷，可以焊接在一起。這是通過(guò)在一定層數(shù)上的兩層之間的平滑過(guò)渡來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這會(huì)稀釋產(chǎn)生的應(yīng)力強(qiáng)度。
該技術(shù)在刀具可及性方面與傳統(tǒng)銑床具有相同的局限性。一般來(lái)說(shuō)，噴嘴和零件之間的距離小于15 mm。因此，填充深槽或內(nèi)腔內(nèi)部可能很困難。

另一點(diǎn)是制造過(guò)程中熱量變化。當(dāng)零件變熱時(shí)，下部的特性與上部的不同。根據(jù)零件的不同，這可能重要，也可能不重要。
制造過(guò)程中的穩(wěn)定性很難實(shí)現(xiàn)。這可能是它在基于傳感器測(cè)量實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制的原因。

2.1.7片層壓
這是增材制造中不太常見(jiàn)的技術(shù)。其目的是切割具有所需形狀（要生產(chǎn)的部分）的材料（聚合物、金屬、紙張等），然后將其堆疊并連接在一起。因此，它是減法和加法制造的混合體。
這是一種廉價(jià)且清潔的技術(shù)（空氣中沒(méi)有粉末或化學(xué)蒸汽）。但與其他技術(shù)相比并不十分流行。

2.1.8總結(jié)
要選擇好的增材制造技術(shù)，必須按照優(yōu)先級(jí)順序考慮不同的零件需求。各方面都達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)是很難的，所以這是一個(gè)尋找最佳方案的過(guò)程。此外，在這個(gè)選擇步驟中沒(méi)有什么是簡(jiǎn)單的，需要對(duì)比。

然而，如果要從上面描述的技術(shù)中進(jìn)行選擇，提出一個(gè)（非常粗略的）指南，基于最重要的需求選擇，它可能如下：

• 最佳表面光潔度：樹(shù)脂打印是最好的，然后是選擇激光基材料（金屬或聚合物）。
• 制造大型的零件：避免快速和強(qiáng)烈冷卻的熱過(guò)程。
• 制造高精度的零件：激光技術(shù)（先是樹(shù)脂，然后是粉末）
• 簡(jiǎn)單的后處理：避免使用需要支撐的技術(shù)。特殊情況下，材料中的支撐不是零件本身的材料，可能更容易移除。
• 尺寸巨大的零件:可以考慮定向能量沉積或帶滲透的粘結(jié)劑噴射�；蛘撸�考慮將零件拆分打印后，再組裝。
• 對(duì)外觀要求好（無(wú)特殊機(jī)械用途）：材料噴射技術(shù)，由于可以有顏色，是良好的選擇。
• 高效的零件：如果大量使用聚合物，成本會(huì)很低。因此應(yīng)該考慮SLS和FDM。光固化3D打印技術(shù)是第二選擇（因?yàn)楦�脆）。�?duì)金屬來(lái)說(shuō)，一切都很好，但成本高。
• 內(nèi)腔干凈光滑：避免打印完成后，零件周?chē)�產(chǎn)生大量粉末的技術(shù)；在緊密的地方很難去除。支撐的設(shè)計(jì)調(diào)整也很關(guān)鍵。
  

每年制造100000個(gè)大于300 mm的零件：AM不是一個(gè)好的選擇。
把一個(gè)簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)做成一個(gè)大立方體：AM不是一個(gè)好的選擇。


2.2殘余材料
如前一節(jié)所述，3D打印技術(shù)種類(lèi)很多。所使用的材料可以是不同的形態(tài)：粉末、液體、板、線、墨水等。

特別地，在比較熱的環(huán)境下工作的一些3D打印技術(shù)（選擇性激光燒結(jié)-SLS，電子束熔煉-EBM）會(huì)導(dǎo)致零件周?chē)�粉末的燒結(jié)；意味著粉末顆粒在表面熔化并粘在一起，就好像它們?cè)陬w粒之間的所有接觸區(qū)部分焊接一樣。這種狀態(tài)的熱應(yīng)力粉末被稱(chēng)為“蛋糕”，制造的零件被包裹其中。粉末顆粒之間的結(jié)合力很強(qiáng)，要從狹窄的內(nèi)腔中清除蛋糕是相當(dāng)困難的。

一些插圖顯示了粉末如何在SLS打印中包圍零件，以及清理復(fù)雜結(jié)構(gòu)的困難。

圖 16：SLS過(guò)程結(jié)束時(shí)的原材料去除步驟

有時(shí)去除殘余材料的目的是使零件盡可能變輕，但也可能是出于衛(wèi)生和安全的原因，例如在醫(yī)藥或航空航天領(lǐng)域，零件在工作過(guò)程中不應(yīng)釋放任何殘留物（粉末顆粒、樹(shù)脂滴等）。這是一件非常重要的事情，從設(shè)計(jì)階段就要注意。

最明顯的例子是在模具嵌件中構(gòu)造一個(gè)非常復(fù)雜（經(jīng)過(guò)優(yōu)化）的冷卻通道。設(shè)計(jì)師可以花數(shù)小時(shí)模擬，找到理想的形狀，以便在注射步驟后以最佳方式散熱。但如果他在生產(chǎn)過(guò)程中沒(méi)有處理好填滿(mǎn)整個(gè)渠道的原材料，那么他昂貴的設(shè)計(jì)將無(wú)法使用，大部分的設(shè)計(jì)都將白費(fèi)。例如，如果這個(gè)模具是由粉末金屬制成的，通道直徑約為1毫米，但長(zhǎng)度超過(guò)2米，怎么可能從這個(gè)非常長(zhǎng)和狹窄的通道中去除金屬粉末？在設(shè)計(jì)階段要考慮的基本問(wèn)題是如何在打印完成后去除殘余材料。這里有一些例子說(shuō)明了“殘余材料問(wèn)題”。

想象一下，使用激光熔化技術(shù)（如SLS）將粉末制成一個(gè)簡(jiǎn)單的立方體，立方體是空心的：

圖 17：將要生產(chǎn)的空心立方體

對(duì)于第一層，粉末分布在整個(gè)表面上，立方體的整個(gè)正方形區(qū)域都熔化了（下圖中的紅線）：

圖 18：當(dāng)?shù)谝粚颖恢圃鞎r(shí)，所有區(qū)域都被激光加工

當(dāng)?shù)竭_(dá)零件中間時(shí)，只有垂直壁被激光處理，其他粉末像往常一樣分布在整個(gè)表面上：

圖 19：中間層制造時(shí)，側(cè)壁被激光加工

最后，用激光再次處理整個(gè)區(qū)域，就像第一層一樣：

圖 20：最后一層的處理密封立方體

在最后一張照片（圖20）上，很容易看到大量原材料仍被困在立方體內(nèi)部。很明顯的，在制造完成后，立方體外殼沒(méi)有出口來(lái)移除這些被困材料。在這種情況里，它是粉末；但問(wèn)題也會(huì)發(fā)生在樹(shù)脂、板材、絲材……因此，在設(shè)計(jì)階段考慮殘余材料是非常重要的，否則空心立方體將比預(yù)期的要重得多。但僅僅考慮如何去除原料是不夠的。有時(shí)出口太窄，或者由于內(nèi)部配置不可能移除所有部件，或者有時(shí)不允許在部件的內(nèi)部和外部之間有出口。下面是一些例子來(lái)說(shuō)明或?qū)�或錯(cuò)的設(shè)計(jì)。

在下面的例子中（圖21），為了避免對(duì)設(shè)計(jì)造成太大的影響，我們制作了一個(gè)簡(jiǎn)單的小孔……。但技術(shù)人員將需要更多的時(shí)間來(lái)移除內(nèi)部原材料，因?yàn)橥ǖ莱隹诘脑�因，最終將花費(fèi)更多的時(shí)間。此外，立方體鋒利的內(nèi)部邊緣很好地鎖住了這些區(qū)域的粉末，并且需要一根鐵絲嘗試刮去這些區(qū)域的粉末。最后，如果技術(shù)人員想用真空吸塵器吸出粉末，這是非常困難的，因?yàn)闆](méi)有其他出口允許空氣流通零件來(lái)清除原料。因此，第二個(gè)想法可能比第一個(gè)好。第三種選擇可能是立方體周?chē)�有很多較小的孔，粉末可以通過(guò)這些孔離開(kāi)零件而不會(huì)堵塞零件。

圖 21：考慮“更容易清洗”的設(shè)計(jì)修改

如果內(nèi)部形狀不是一個(gè)“簡(jiǎn)單”的體積，而是一種復(fù)雜的通道，那么就需要幾個(gè)出口，且形狀要便于拆卸。就像增材制造一樣，設(shè)計(jì)者的目標(biāo)是不使用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的思維，從要設(shè)計(jì)部件的功能出發(fā)，使設(shè)計(jì)適應(yīng)AM的要求。圖22是與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)相比的“功能”方法設(shè)計(jì)示例：

圖 22：從組件功能開(kāi)始的設(shè)計(jì)過(guò)程。傳統(tǒng)與AM設(shè)計(jì)方法的比較

傳統(tǒng)工藝，材料是從一整塊物體中去掉不需要的部分。為了更輕，可以選擇制造成空心。但傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)在3D打印完成之后很難清理。因?yàn)樵?D打印中，是從零開(kāi)始制造，嘗試去除空腔，產(chǎn)生一些功能性的、易于清潔的結(jié)構(gòu)，并盡可能簡(jiǎn)單，類(lèi)似于圖22所示的最后一個(gè)設(shè)計(jì)。

在AM中，設(shè)計(jì)者可以將一些活動(dòng)部件（如鉸鏈、旋轉(zhuǎn)軸或彈簧）集成到1個(gè)設(shè)計(jì)中，從而減少裝配步驟，并在打印過(guò)程中直接組裝這些部件。關(guān)鍵是基于活動(dòng)部件之間的間隙（約0.4 mm，與所選技術(shù)相關(guān)），間隙盡量要小，讓活動(dòng)平穩(wěn)準(zhǔn)確。當(dāng)然，一些殘留材料會(huì)填補(bǔ)空隙。如果沒(méi)有出口，就不可能把鉸鏈打開(kāi)。
下面是一些例子：
對(duì)于球頭，為了減少內(nèi)外殼之間的間隙，建議在外殼上穿孔以去除任何剩余的殘留材料，如下所示。

圖 23：外部組件中帶有殘留粉末排出通道的球頭

如果需要長(zhǎng)旋轉(zhuǎn)軸穿過(guò)塊體，建議考慮制造成可調(diào)節(jié)的間隙和軸中心的可接近性，如下所示：

圖 24：采用排粉方法的車(chē)軸設(shè)計(jì)

當(dāng)然，清洗原材料的最麻煩的情況是清洗換熱器或大型格子結(jié)構(gòu)。必須事先進(jìn)行一些初步試驗(yàn)，以測(cè)試某些樣品的清潔度。下面是一些復(fù)雜但可清洗部件的示例：

圖 25：內(nèi)部已成功清洗的復(fù)雜零件示例

總之，制造后需要去除的材料很多。有經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)人員可以在AM過(guò)程找到好的方法來(lái)清理，但這可能很昂貴而且不一定清理成功。一般都是由經(jīng)驗(yàn)豐富的設(shè)計(jì)師來(lái)提出最佳方案，這樣可以節(jié)省時(shí)間和成本，同時(shí)提高零件的整體質(zhì)量。每一個(gè)解決方案都是實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)積累出來(lái)的。

2.3支撐結(jié)構(gòu)
比較麻煩的是，在增材制造中往往需要支撐結(jié)構(gòu)。它是指一種類(lèi)似于支撐的輕型結(jié)構(gòu)，在制造過(guò)程中支撐零件，并且與零件的制造是同時(shí)進(jìn)行的。
圖26顯示了具有支撐結(jié)構(gòu)的零件的一些示例：

圖 26：支撐結(jié)構(gòu)與實(shí)際零件體積的比較示例

這種結(jié)構(gòu)（圖27左下角的深紅色）完全由零件的位置確定，并與其設(shè)計(jì)相關(guān)。支撐將從零件底部延伸到打印平臺(tái)；由圖27中的棕色/黃色平面表示�；�于機(jī)器體積空間中的初始定位，有色區(qū)域?qū)⑿枰�支撐，因�(yàn)樗鼈儽灰暈椤八�平”。粗略地說(shuō)，這意味著它們與垂直方向（機(jī)器的Z軸）的法線角度小于30°：

圖 27：根據(jù)選定的零件方向，需要支撐的突出區(qū)域

所需要的三維文件可以用專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)的軟件支撐結(jié)構(gòu)有三個(gè)主要作用。
所支持的三維文件可以用專(zhuān)業(yè)軟件自動(dòng)、快速生成，然后由機(jī)器進(jìn)行零件的加工處理。然而，需要一些專(zhuān)業(yè)知識(shí)來(lái)設(shè)置參數(shù)，并使其更有效地快速的進(jìn)行后續(xù)流程，并確保流程的穩(wěn)定性。

2.3.1增材制造為什么需要支撐？
•支撐層：
讓我們從一個(gè)例子開(kāi)始。如果目標(biāo)是基于液體材料（樹(shù)脂）產(chǎn)生的150 mm寬的“T”形，則水平桿的第一層高度為0.02 mm，寬度為150 mm。它是如此的薄，當(dāng)刮取水平的液體表面，這個(gè)非常薄弱的層會(huì)發(fā)生完全變形。為避免變形，第一層形成的腳手架作為所有“水平”表面的加固。

圖 28：支撐加固第一層

圖29是專(zhuān)門(mén)用于支撐作用的支撐示例：

圖 29：SLA過(guò)程中實(shí)際支撐加固部件的示例

圖30顯示在FDM中，在懸臂/水平截面下放置的支撐結(jié)構(gòu)不足時(shí)發(fā)生的情況。

圖 30：缺少支撐對(duì)懸壁區(qū)域的影響。越長(zhǎng)效果越差

•向下排出熱量
在熱熔過(guò)程中，熱源（電子束、紅外激光束、加熱電阻等）通常會(huì)熔化粉末，使局部顆粒熔化成液態(tài)，并匯合大塊形成連續(xù)層。為了凝固，必須在熔化后必須散熱，但由于顆粒間存在著氣體，導(dǎo)致粉末材料非常接近隔熱層。由于零件被粉末包圍，散熱非常慢且不均勻，導(dǎo)致熔體質(zhì)量非常差。支撐結(jié)構(gòu)是一種固體、無(wú)孔的材料，即為很好的熱導(dǎo)體，它讓熱能很快傳遞，然后機(jī)器本身的其余部分熱量被排出。

圖31是未添加支撐的區(qū)域的一個(gè)示例，導(dǎo)致局部過(guò)熱/過(guò)度熔化。由于能量過(guò)剩，洞的上部坍塌了。在圖像的左側(cè)，參數(shù)是恒定的。在右側(cè)，控制（減少）熱輸入以減少過(guò)多的熔體效應(yīng)：

圖 31：由于支撐結(jié)構(gòu)缺失，熱疏散不良，導(dǎo)致部分坍塌

圖32顯示了對(duì)于給定的參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，在保證曲面質(zhì)量如何時(shí)，不帶支撐的最大水平長(zhǎng)度（“懸壁區(qū)域”）：

圖 32：由于缺乏支撐，懸挑長(zhǎng)度對(duì)下表面質(zhì)量的影響，導(dǎo)致散熱不良

如果懸臂區(qū)域足夠小，熱通量可以很容易地分散附近的垂直柱。當(dāng)區(qū)域增大時(shí)，導(dǎo)熱流動(dòng)距離過(guò)長(zhǎng);熱量積聚，最終導(dǎo)致過(guò)熱。
圖33結(jié)果表明，由于重新熔化和散熱不良，尤其是在金屬粉末床熔化過(guò)程中，表面無(wú)支撐且離水平面越近，表面質(zhì)量越差。

圖 33：表面方向?qū)Ρ砻尜|(zhì)量的影響

•避免熱過(guò)程中的變形
用帶有熱源的金屬粉末生產(chǎn)零件，意味著在接下來(lái)的加工過(guò)程中，最初的層被強(qiáng)烈壓縮。簡(jiǎn)單的說(shuō)，接下來(lái)的層在制造后冷卻時(shí)會(huì)自然收縮，這就造成了之前的層被壓縮。這意味著零件在水平面上的時(shí)間越長(zhǎng)，壓縮力就越大，而壓縮力與熔化的焊接材料所連接的兩點(diǎn)之間的長(zhǎng)度成正比。
作為一個(gè)例子，圖34顯示了從上面看到的兩個(gè)不同的層配置。在左側(cè)，焊接區(qū)域相當(dāng)�。ň植磕芰枯斎氩惶�大），且不太長(zhǎng)，無(wú)論方向如何（所以，收縮很�。�。在右邊則相反，會(huì)產(chǎn)生更多的殘余應(yīng)力。

圖 34：兩種不同層配置的俯視圖

如果不采取任何防護(hù)措施，則這些壓縮力會(huì)使零件變形。開(kāi)裂或分層幾乎總是從零件的外邊緣開(kāi)始。因此，在熱（尤其是金屬）AM工藝中，尤其是在寬大零件的外緣，支撐相當(dāng)堅(jiān)固，零件和剛性制造板之間有很強(qiáng)的連接。這樣，由于其強(qiáng)度，如果支撐足夠堅(jiān)固，底板可以防止零件在加工過(guò)程中發(fā)生變形。在生產(chǎn)和去除粉末之后，零件仍然焊接在上面，可以在爐中進(jìn)行熱處理，以降低內(nèi)應(yīng)力。經(jīng)過(guò)這個(gè)后處理，零件可以割下來(lái)而不發(fā)生形變。

圖35顯示了一些結(jié)構(gòu)的例子，這些結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度不足以承受產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。它們?cè)谏�產(chǎn)過(guò)程中斷裂，從而使零件發(fā)生了形變。

圖 35：由于支撐結(jié)構(gòu)薄弱，無(wú)法抵消內(nèi)部熱應(yīng)力，導(dǎo)致零件在加工過(guò)程中分層

所有這些例子都表明，需要使用支撐，以便從需要支撐的3D打印技術(shù)中獲得準(zhǔn)確和高質(zhì)量的零件（即，除了粘合劑噴射和高溫下聚合物的激光燒結(jié)）。

2.3.2我們?yōu)槭裁匆�去除支撐�?/font>
打印完成后必須拆除支撐，也會(huì)出現(xiàn)一些問(wèn)題。特別是當(dāng)部件不均勻時(shí)，強(qiáng)力支撐可防止變形并改善制造條件。但弱支撐更容易移除，從而降低了組件的總體成本。然而，這項(xiàng)工作很有可能會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題失敗，尤其是使用韌性較低的材料（如高碳化物鋼）或散熱性較低的材料（如鈦）。

在3D打印聚合物技術(shù)中，如材料擠出（也稱(chēng)為熔融沉積模型）或材料噴射，由于使用多種材料的可能性，一些支撐載體可能會(huì)很快地在水中溶解。在這些情況下，支撐只會(huì)產(chǎn)生額外的材料成本，而不會(huì)產(chǎn)生額外的后處理費(fèi)用。

但當(dāng)使用金屬材料時(shí)，支撐和部件是由相同的材料制成的，并被牢固地焊接在一起。
在這種情況下，支撐更難拆除。當(dāng)夾具、鋸、鑿子和錘子不合適時(shí)，則需要一個(gè)加工中心來(lái)處理這種情況。

根據(jù)初始設(shè)計(jì)和定位，可能需要在很難進(jìn)入的零件區(qū)域（如內(nèi)腔）提供支撐。使用外部工具可能無(wú)法接近這些位置，因此支撐將不可避免地留在那里。這會(huì)產(chǎn)生一些問(wèn)題（重量增加、零件工作期間內(nèi)粉末釋放的危險(xiǎn)……），有時(shí)則不會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題（零件設(shè)計(jì)中包含的支撐）。下面是一個(gè)支撐留在在單個(gè)開(kāi)口零件中的示例，因此很難移除。因此應(yīng)研究解決方案以避免這種情況。

圖 36：設(shè)計(jì)調(diào)整示例，以便于加工后拆除支撐

為了避免變形，支撐必須與零件連接良好。在拆卸過(guò)程中，支撐的一些碎片留在表面上是很常見(jiàn)的。此外，曲面并不總是平坦的（這將在后處理中發(fā)揮作用），但有時(shí)非常復(fù)雜。在這種情況下，很難在這些表面上獲得完美的光潔度。

圖 37：支撐連接對(duì)區(qū)域表面質(zhì)量的影響-1

圖 38：支撐連接對(duì)區(qū)域表面質(zhì)量的影響-2

因此，可以按照零件的對(duì)齊方式選擇不同的解決方案。
首先是向上移動(dòng)關(guān)鍵區(qū)域。這使得它們?cè)诖蛴�狀態(tài)下不那么粗糙。但另一面的表面將會(huì)導(dǎo)致不規(guī)則，有時(shí)這是可以接受的。
另外，重要的區(qū)域可以重新加工以提高整體質(zhì)量。但是這會(huì)增加額外的厚度。因此，它們可以向下對(duì)齊，與支撐接觸。另外，其他表面的質(zhì)量也會(huì)更好。

2.3.3設(shè)計(jì)師能做什么？
設(shè)計(jì)人員在生產(chǎn)零件時(shí)，不應(yīng)該帶有額外的支撐結(jié)構(gòu)，如果他們能夠減少制造零件所需的支撐，他們也可以大大降低成本。他們只需要盡量避免從下面向上看的水平表面，使制造的時(shí)候盡可能以本身部件作為支撐，以避免后處理的時(shí)候去除支撐結(jié)構(gòu)。粗略地說(shuō)，與水平面相比，建議保持在45°角以上，如圖39所示。當(dāng)然，如果可以取大于45°的值，則可以提高表面質(zhì)量。

圖 39：AM中的主要設(shè)計(jì)提示。盡可能“垂直”地設(shè)計(jì)零件

以下是一些精美的例子：

圖 40：“垂直”設(shè)計(jì)，特別適合AM，減少了對(duì)支撐結(jié)構(gòu)的需求

由于長(zhǎng)直且連續(xù)的焊接材料產(chǎn)生的應(yīng)力比短的應(yīng)力大得多，建議在水平面上最大長(zhǎng)度（>100 mm）進(jìn)行劃分（取決于最終部件對(duì)齊）。這意味著需要更輕的支撐，從而減少后處理步驟和成本。

圖 41：在較短的節(jié)段中重新設(shè)置長(zhǎng)度，以避免導(dǎo)致彎曲的高應(yīng)力（與直線長(zhǎng)度成比例）

綜上所述，在支撐結(jié)構(gòu)方面，最適合增材制造的是那些均勻且薄或在每個(gè)水平截面上分成薄島的模型。生產(chǎn)垂直方向比較長(zhǎng)的組件也更容易，因?yàn)樗鼈兛梢栽谥圃鞎r(shí)進(jìn)行在自我支撐。

2.4表面質(zhì)量
表面質(zhì)量與幾個(gè)特征有關(guān)。它會(huì)受到原材料形態(tài)（粉末顆�？梢哉掣皆诒砻�，液體不能）、工藝偏差（例如局部過(guò)熱）、所選部件對(duì)齊（影響支撐結(jié)構(gòu)）以及所應(yīng)用的層厚度的影響。

2.4.1原材料的影響
以粉末為原料時(shí)，其表面粗糙度通常高于其它材料形態(tài)。這與處理零件邊界的方式有關(guān)。在粉末床技術(shù)中，可以用粘合劑將顆粒粘在一起，也可以用熱源熔化顆粒。由于原材料的不連續(xù)性，表面會(huì)不如預(yù)計(jì)中的清晰。下圖顯示了組件表面區(qū)域的縮放。

圖 42：部分熔融粉末顆粒對(duì)表面的影響，粗糙度增加

在熔化/粘合過(guò)程中，所有受影響的粉末顆粒都留在表面上，并產(chǎn)生與所用粒度范圍成比例的粗糙度。根據(jù)粉末形態(tài)和層厚，雙峰之間的距離可達(dá)200微米。
這些圖片說(shuō)明了實(shí)際狀態(tài)：

圖 43：金屬粉末的粉末床熔化過(guò)程的實(shí)際表面形貌

如果使用液體（如樹(shù)脂）作為原料，由于液體的連續(xù)性，上述情況幾乎不存在，而且表面要光滑得多。在下圖中，在SLA 3D打印零件的表面上產(chǎn)生一些鋸齒。與工藝參數(shù)相關(guān)的“臺(tái)階效應(yīng)”在厚層中清晰可見(jiàn)。然而，表面非常光滑，沒(méi)有不規(guī)則的地方。因此，SLA部件甚至在剛從機(jī)器中制造出時(shí)也可以是透明的。

圖 44：層厚對(duì)表面質(zhì)量的影響，主要是“臺(tái)階效應(yīng)”

在“液滴分離”的樹(shù)脂技術(shù)中，表面不太光滑。等高線有點(diǎn)不太平滑，更像“虛線”，但與其他原理相比，質(zhì)量仍然很好。
FDM中每一層的輪廓都是光滑的，但是每一層都有相當(dāng)大的粗糙度（見(jiàn)圖10）。這主要是因?yàn)樽畲笞钚≈�間的層厚至少為0.1 mm。這里是一個(gè)實(shí)例，它比較FDM和SLA中具有相同層厚0.1mm的部分，且這兩部分在這兩種情況下都是都位于一個(gè)小組件上（這對(duì)SLA有利，而對(duì)FDM不利）。

圖 45：制造方式選擇的影響。層厚相同：左側(cè)FDM，右側(cè)SLA

使用鈑金的技術(shù)的表面質(zhì)量與原材料相關(guān)，而原材料的表面質(zhì)量又取決于鈑金輪廓的切割方式。

2.4.2工藝偏差的影響
這是指在生產(chǎn)過(guò)程中相當(dāng)穩(wěn)定的一些過(guò)程。例如使用樹(shù)脂（SLA，材料噴射）或粉末粘合劑（粘合劑噴射）的工藝。但對(duì)于熱過(guò)程來(lái)說(shuō)，這是不一樣的。這可以從熱過(guò)程中得到解釋。熱量就像液體一樣從熱點(diǎn)（如熔池）流向冷點(diǎn)（如機(jī)架，通過(guò)底板）。溫差越大，移動(dòng)越快。而且熱量在大塊材料中的流動(dòng)速度也比通過(guò)粉末的速度快，氣體在粉末顆粒之間充當(dāng)隔熱層。基于這些簡(jiǎn)單的考慮，就會(huì)很容易明白為什么會(huì)在3D打印期間更改一些設(shè)置：

如果生產(chǎn)的零件由幾個(gè)小零件和一個(gè)大零件組成（圖46），激光加工第一層比最后一層需要更多的時(shí)間。這決定了最高部分兩層之間的冷卻時(shí)間，底部較長(zhǎng)，頂部很短。這會(huì)導(dǎo)致熱量積聚，從而導(dǎo)致過(guò)熱，上部區(qū)域可能比下部區(qū)域有更多的缺陷（球形氣孔）。這當(dāng)然可以同時(shí)適用于多個(gè)部位，也可以應(yīng)用于沿制造方向具有可變截面的單個(gè)部位。

圖 46：層密度變化對(duì)熱過(guò)程的影響

圖 47：長(zhǎng)(下)和短(上)冷卻時(shí)間之間的過(guò)渡線在小零件的制造結(jié)束后

由于部件對(duì)齊，也可能出現(xiàn)類(lèi)似 “收縮線”的缺陷。當(dāng)來(lái)自下面的兩個(gè)單獨(dú)的細(xì)（柔性）分支之間存在連接時(shí)，就會(huì)發(fā)生這種情況。在連接之前，收縮發(fā)生在各個(gè)分支的“小”部分，沒(méi)有特殊的幾何偏差。但是在連接層，要焊接的部分會(huì)比較大（兩個(gè)分支的橫截面相加）。因此，收縮更為重要（與長(zhǎng)度成比例），并將分支的尖端拉在一起。

由于分支很柔韌(又長(zhǎng)又細(xì))，它們會(huì)彎曲，在這一層會(huì)發(fā)生局部的幾何收縮。下一層不會(huì)出現(xiàn)這種現(xiàn)象，因?yàn)橐呀?jīng)建立了連接。所以，只剩下一條水平收縮線。這些步驟如圖48所示。

圖 48：生成“收縮線”的連續(xù)步驟

最后，如果在某個(gè)特定位置進(jìn)行大面積加工，由于過(guò)度的熔化可能會(huì)在局部產(chǎn)生額外的材料堆積。如果是這樣，在鋪粉末時(shí)，可能會(huì)造成輕微損壞。這種情況會(huì)導(dǎo)致較厚的粉末層熔化不均勻，在零件上是可以看見(jiàn)的。它看起來(lái)像一條收縮線，但實(shí)際上是由于粉末分布不均勻造成的。

圖 49：由于局部粉末分布不均勻，導(dǎo)致熔體質(zhì)量差，可以看見(jiàn)明顯的線條

2.4.3層厚影響
當(dāng)然，層厚越大，表面就越粗糙。但這個(gè)形成的過(guò)程很快。因此，必須在最終質(zhì)量和成本與時(shí)間方面做出妥協(xié)。以下是相同技術(shù)具有不同層厚的一些示例：

圖 50：50層厚對(duì)表面質(zhì)量和制造時(shí)間的影響

如果層厚度低于80μm，“階躍效應(yīng)”對(duì)表面質(zhì)量的重要性往往小于粉末粒度。對(duì)于粉末顆粒較大的技術(shù)，因此不建議使用較小的層厚度來(lái)提高表面質(zhì)量。
此外，幾乎水平的表面上的“臺(tái)階效應(yīng)”變得更加明顯，這是由于幾何原因造成的。

圖 51：由于零件幾何形狀而產(chǎn)生“臺(tái)階效應(yīng)”的區(qū)域

2.4.4設(shè)計(jì)如何結(jié)合表面質(zhì)量？
熱源3D打印機(jī)，從表面粗糙度來(lái)看，最高頂部和最深谷底部之間的距離大約為0.2 m m，粉末范圍在20到60μm之間。這意味著如果進(jìn)行后處理操作以在表面上產(chǎn)生鏡面拋光（無(wú)孔），然后，必須在后處理（機(jī)加工、摩擦拋光、電化學(xué)拋光等）中去除約0.2 mm厚的表皮。因此，如果“表面零孔”特性對(duì)預(yù)期應(yīng)用非常重要，則應(yīng)將設(shè)計(jì)中考慮這種額外厚度。

但不是所有的零件表面都需要這樣的精加工。在這種情況下，第一步是重新定義每個(gè)曲面所要求的質(zhì)量。在過(guò)去，人們并沒(méi)有意識(shí)到公差的重要性，從而引發(fā)了安全事故。因此要必須解決這一問(wèn)題，因?yàn)閺哪菚r(shí)起就沒(méi)有對(duì)公差進(jìn)行要求。如果公差可以放寬，則需要較少的返工，部件將變得更便宜。
通常，整個(gè)組件的“竣工”質(zhì)量是針對(duì)特定AM技術(shù)而批準(zhǔn)的，只有少數(shù)需要密封或連接到另一部件的關(guān)鍵區(qū)域是需要機(jī)加工后處理。
為了避免任何可能的工藝偏差，目的是幫助確保每個(gè)部分具有相同的待加工區(qū)域，并且盡可能均勻，而這做起來(lái)比較困難。
在不改變機(jī)器參數(shù)和設(shè)計(jì)的情況下，管理“階躍效應(yīng)”的唯一方法是改變部件的對(duì)準(zhǔn)方式，將零件的粗糙度轉(zhuǎn)移到其他地方。

2.5準(zhǔn)確度
準(zhǔn)確度也是AM中的一個(gè)重要話題。如前幾節(jié)所述，在制造過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)許多現(xiàn)象，這些現(xiàn)象可能導(dǎo)致變形（由于冷卻或聚合而收縮、內(nèi)部應(yīng)力導(dǎo)致分層、激光穿透床層等）或表面質(zhì)量差（粗糙度高）。鑒于此，無(wú)論零件形狀如何，用最精確的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)很難保證幾何精度優(yōu)于0.1%。通常，考慮0.2%的精確度是明智的選擇。這意味著尺寸為100 mm的零件的長(zhǎng)度為100±0.2 mm。如果一切順利，這些公差是允許的。但是，如果存在問(wèn)題（例如，由于高殘余應(yīng)力導(dǎo)致的柱分層），則局部變形可以達(dá)到更高的值。

設(shè)計(jì)師可以在重要的區(qū)域增加額外厚度，然后對(duì)其進(jìn)行加工，以達(dá)到最終公差。但這會(huì)增加成本，尤其是當(dāng)零件遠(yuǎn)離幾何/立方時(shí)。此外，對(duì)于有機(jī)/優(yōu)化形狀，將其固定在銑床（無(wú)平面）中或設(shè)置坐標(biāo)的參考坐標(biāo)系要困難得多。

當(dāng)然，為了有助于后處理步驟，設(shè)計(jì)師可以添加一些臨時(shí)功能，使其更容易修復(fù)零件，以及加固材料，以避免加工“細(xì)長(zhǎng)”結(jié)構(gòu)時(shí)可能出現(xiàn)的振動(dòng)，這在AM中是很典型的解決方法。

這就是為什么最近市場(chǎng)上出現(xiàn)了另一種工具：模擬熱過(guò)程的AM軟件。各種可用的商業(yè)解決方案使計(jì)算時(shí)間非常合理�？梢酝ㄟ^(guò)計(jì)算來(lái)評(píng)估機(jī)械變形和熱過(guò)程（基本上是機(jī)械 性能）。如果生產(chǎn)可能因?yàn)橐馔獾闹�撐分層而在生產(chǎn)三天后失敗，則這種類(lèi)型的復(fù)雜計(jì)算可以阻止生產(chǎn)的開(kāi)始。

有了這個(gè)工具，設(shè)計(jì)者可以快速檢查（基于所需的計(jì)算精度）他的最終設(shè)計(jì)是否“過(guò)程安全”，如果不是“過(guò)程安全”，則可以進(jìn)行潛在的糾正。比如鈦合金零件的生產(chǎn)失敗就要花費(fèi)3000歐元，因此這種方法可以節(jié)省很多時(shí)間和金錢(qián)。

此外，專(zhuān)業(yè)軟件可以提出一個(gè)補(bǔ)償模型的設(shè)計(jì)，以預(yù)期任何彎曲。這意味著在生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)生的變形將使補(bǔ)償后的模型彎曲，從而保持原始設(shè)計(jì)的外觀。
該工具可以幫助制造商和設(shè)計(jì)師達(dá)到預(yù)期的最終精度。
該軟件的成本目前在12000-15000歐元/年之間。

2.6時(shí)間方面
增材制造的優(yōu)勢(shì)在于，與其他技術(shù)相比，在相對(duì)較短的時(shí)間（大約4天；每層30分鐘到90分鐘）內(nèi)生產(chǎn)出小體積（300X300x400毫米）零件，這是從零開(kāi)始的，從最終的CAD文件和原材料開(kāi)始。

在機(jī)械加工或注塑成型中，不可能在四天內(nèi)生產(chǎn)出幾個(gè)不同的復(fù)雜零件。在一個(gè)小的或非常小的案例，有一個(gè)非常短的時(shí)間窗口，因此對(duì)于零件的定制，非常適合使用增材制造的方式。這種時(shí)間的差異帶來(lái)的收益已經(jīng)成為一些公司的利潤(rùn)來(lái)源，   使得AM部件的費(fèi)用更容易被接受。

有時(shí)AM也用于產(chǎn)品開(kāi)發(fā)階段，不是用于生產(chǎn)最終零件，而是用于快速確定注塑生產(chǎn)的最佳模具。通過(guò)從當(dāng)前版本快速找到初始設(shè)計(jì)，可以在早期階段避免一些錯(cuò)誤。這也節(jié)省了時(shí)間。

當(dāng)然，四天去制造模具是不可能完成的。因此，這些仍然是通過(guò)注射成型生產(chǎn)的，就像許多其他傳統(tǒng)的零件/形狀一樣。
設(shè)計(jì)步驟也可能是一個(gè)耗時(shí)的因素。由于AM只有在部件“特殊”或與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)相比特別高效時(shí)才具有經(jīng)濟(jì)效益，因此設(shè)計(jì)步驟是最重要的。設(shè)計(jì)盡可能高效的零件需要不同的軟件和大量的知識(shí)積累。

知道何時(shí)選擇AM以及何時(shí)選擇另一個(gè)工藝，很重要。

3  對(duì)設(shè)計(jì)的影響
增材制造設(shè)計(jì)過(guò)程幾乎總是相同的，不管采用什么技術(shù)。第一步始終是定義組件的功能和周?chē)�元素的集成程度，以適配裝配工作。無(wú)論功能是驅(qū)動(dòng)流體從一個(gè)點(diǎn)到另一個(gè)點(diǎn)的通道，螺釘或車(chē)軸的錨固點(diǎn)，一個(gè)鉸鏈或幾個(gè)點(diǎn)之間的強(qiáng)連接保持他們之間的距離恒定，第一步都是先獲得這些特征的清晰三維圖。下面是一個(gè)具有結(jié)構(gòu)作用（錨固點(diǎn)）的組件示例，某些流體必須通過(guò)該組件的管道，此外，還需集成一個(gè)風(fēng)道：

圖 52：組件功能的3D地圖定義

可用空間/體積（在上一個(gè)圖像上用紅色陰影表示）由周?chē)�元素定義。根據(jù)最小機(jī)械阻力要求，可提出完成所有初始功能的部件的一個(gè)初稿。

圖 53：第一個(gè)簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)方案

下一步是優(yōu)化“自支撐”（避免支撐結(jié)構(gòu)）、“易于清潔”和后處理方面。
關(guān)于自支撐方面，組件對(duì)齊的調(diào)整有時(shí)會(huì)改變所需的支撐數(shù)量：

圖 54：相同的設(shè)計(jì)但不同的對(duì)齊方式可以改變所需的支持?jǐn)?shù)量

然而，大多數(shù)情況下，局部需要重新設(shè)計(jì)，以對(duì)所選擇的支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行整合。

圖 55：根據(jù)所選方向調(diào)整設(shè)計(jì)，以盡量減少后處理操作

4結(jié)論

• 3D打印不適合制造所有零件。第一個(gè)目標(biāo)是選擇最有效益的零件，或重新設(shè)計(jì)自由度高的零件。
• 然后，將零件的所有功能考慮到，按照最基本的需求進(jìn)行研究。
• 基于這些結(jié)果，根據(jù)本文檔中描述的物理原因，選擇機(jī)器中的組件對(duì)齊方式，使其長(zhǎng)度大于寬度。
• 一旦選擇了組件對(duì)齊，就可以添加材料，以最有效的方式連接各個(gè)元素，這主要是由于拓?fù)鋬?yōu)化。
• 然后，可以?xún)?yōu)化初始設(shè)計(jì)，以減少水平截面的分割面積（以減少熱輸入和相應(yīng)的殘余應(yīng)力），并檢查表面方向（盡可能避免支撐）。
• 根據(jù)所施加的載荷情況，可以進(jìn)行有限元分析以檢查部件的韌性。
• 在不同的步驟之間，可以進(jìn)行一些迭代，以獲得最佳的組件效率，從而實(shí)現(xiàn)可制造性和使用性。
  

研究背景
2020年3月，奧地利技術(shù)公司Ecoplus Plastics和Mechatronics Cluster公布了他們的一項(xiàng)研究結(jié)果，內(nèi)容主要是關(guān)于將增材制造應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中的發(fā)現(xiàn)。兩年前，這兩家公司啟動(dòng)了這項(xiàng)耗資210萬(wàn)歐元的研究項(xiàng)目，稱(chēng)為“增材制造的工業(yè)4.0”（AM 4 Industry）。

項(xiàng)目目的是使企業(yè)能夠在把增材制造引入生產(chǎn)領(lǐng)域時(shí)，做出更明智的決策。研究表明，增材制造技術(shù)能否成功應(yīng)用于工業(yè)，主要取決于幾大關(guān)鍵因素：
●質(zhì)量特征的定義以及設(shè)計(jì)
●3D打印工藝的發(fā)展
●可靠的生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)控
●合適的后處理指南
●合適的成本效益模型

該報(bào)告一共包括五個(gè)細(xì)分報(bào)告：
●激光束熔化（LBM）增材制造缺陷研究
●增材制造設(shè)計(jì)非常重要
●增材制造中的設(shè)計(jì)與流程相關(guān)注意事項(xiàng)
●實(shí)施增材制造工藝之前，做好質(zhì)量?jī)?yōu)化和成本分析
●應(yīng)用示例介紹OpenFoam®和chtMultiRegion

這項(xiàng)研究，南極熊認(rèn)為非常有價(jià)值，有利于激光熔化類(lèi)的3D打印企業(yè)深入展開(kāi)工業(yè)應(yīng)用，推動(dòng)我國(guó)智能制造的發(fā)展。

本報(bào)告的翻譯，得到北京化工大學(xué)英藍(lán)實(shí)驗(yàn)室  吳懷松、何其超、程月、王皓宇、張秀、劉俊豐等同學(xué)，和老師焦志偉的大力支持。正是由于這個(gè)也做3D打印相關(guān)研究的團(tuán)隊(duì)，付出了約1個(gè)月的時(shí)間和精力，本報(bào)告的中文版才得以問(wèn)世。南極熊特此感謝！