增材設計（DfAM）在3D打印中至關重要的10個原因

在增材制造領域，建模設計對于零件的創(chuàng)建有著至關重要的作用，它也是任何 3D 打印過程的第一步。DfAM 被定義為增材制造的“可制造性設計”，或者更簡單地定義為可以優(yōu)化使用增材制造創(chuàng)建的零件的設計方法和工具，DfAM 允許用戶利用 3D 打印中存在的設計自由度的優(yōu)勢它是制造功能性、高性能零件的關鍵。

但是為什么DfAM如此重要？它能給零件帶來哪些好處？接下來我們將對這些問題展開探討，并列出了DfAM在3D打印中的重要性的10個原因：

1. 減少 3D 打印錯誤

打印失敗是任何3D打印用戶的都難以接受的結果。特別是當涉及高度工業(yè)化的工藝時，例如使用激光的LPBF或SLS ，或PEEK 和 PEKK等昂貴的材料，毀壞零件的小錯誤確實會在成本和時間方面給用戶造成損失。這就是DfAM 的體現(xiàn)價值的地方。通過設計，不僅可以正確定向和支撐模型（這兩者對于確保各向同性等屬性和確保不會翹曲都大有幫助），還可以允許用戶選擇正確的填充和零件的圖層設置。這反過來又顯著減少了打印失敗。

△校正方向是 DfAM 中的考慮因素之一（照片來源：Protolabs）

2. 更快的打印

速度是增材制造的核心優(yōu)勢，因為這些技術使用戶能夠以傳統(tǒng)制造方法所用時間的一小部分來制造零件。然而，這個速度并不是給定的。通過使用 DfAM，可以使用晶格結構等來優(yōu)化設計，以保持強度，同時最大限度地減少需要使用的材料量。它還將允許用戶最小化支撐結構，減少了打印時間。

3. 更復雜的設計

在 3D 打印中，當設計更加復雜時，不會遇到額外的困難。因此，DfAM 允許用戶創(chuàng)建比使用更傳統(tǒng)的設計規(guī)則創(chuàng)建的幾何形狀復雜得多的幾何形狀。通過軟件，可以設計并打印幾何形狀更加復雜的零件，尤其是金屬零件。這種復雜性正是我們真正看到 3D 打印為用戶帶來更大幾何自由度的地方。

4. 優(yōu)化重量性能比

DfAM允許用戶利用不同的設計軟件來全面優(yōu)化零件。3D 打印在航空航天和汽車等領域如此受歡迎的原因之一在于它可以制造出更輕的零件，同時仍保持其強度和其他性能，這意味著優(yōu)越的重量性能比。這尤其可以通過 DfAM 來完成，例如通過集成晶格結構或使用零件的拓撲優(yōu)化和生成設計。這些專門設計用于優(yōu)化和生成零件，以減少材料，同時仍滿足強度等特定約束。雖然在傳統(tǒng)制造中，最終的零件可能過于復雜而無法制造，但如上所述，這在 3D 打印中不是問題。

△DfAM的使用方法之一是拓撲優(yōu)化（照片來源：nTop）

5. 更少的支撐結構

3D打印從業(yè)者很容易將支撐結構視為3D 打印中的“必要之惡”。雖然支撐對于確保零件在 3D 打印過程中不會變形或翹曲絕對至關重要，但它們也意味著更多的材料使用（影響成本和時間），這反過來又會使后處理時間更長并影響外觀的部分。這就是 DfAM 可以發(fā)揮作用的地方。通過仔細設計零件，例如減少懸伸、改進方向或正確選擇填充設置，用戶在制造零件時可以減少支撐。

6. 減少后處理

繼續(xù)上一點，DfAM 重要的另一個重要原因是它將允許用戶減少整體的后處理流程。當然，能夠做到這一點的主要原因之一是通過優(yōu)化支撐結構，這意味著拆除它們將花費更少的時間，但還有其他考慮因素。例如，通過正確定位零件或降低層高（這都是 DfAM 中的重要考慮因素），可以在打印開始之前就解決表面平滑度等問題。如果不考慮這些因素，后期處理通常會花費更長的時間，因此轉向 DfAM 是有好處的。

7. 零件整合

DfAM 重要的另一個原因是零件整合。使用增材制造的一個日益流行的原因，尤其是在航空航天和汽車等領域，是能夠通過更復雜的幾何形狀將多個零件整合為一個零件。其中一個例子是 Czinger 21C 超級跑車，制造商 Divergent 3D 聲稱它能夠將數(shù)千個零件整合為幾百個零件，從而顯著降低了重量并提高了性能。這種類型的整合只能通過 3D 打印實現(xiàn)，并且可以通過學習和采用 DfAM 規(guī)則來完成。

8. 提高可擴展性和批量生產(chǎn)

誠然，DfAM不一定同樣適用于每種3D 打印技術。由于各種原因，并非所有這些都非常適合大規(guī)模生產(chǎn)或可擴展性。然而，對于 SLS、DMLS、樹脂 3D 打印和粘合劑噴射等技術，DfAM 在擴大生產(chǎn)規(guī)模方面可以發(fā)揮關鍵作用。通過 DfAM，可以通過堆疊將最大數(shù)量的零件放置在構建體積上。此外，將 DfAM 考慮在內可以幫助用戶克服 3D 打印難以進行大規(guī)模生產(chǎn)的主要挑戰(zhàn)。

△使用樹脂3D 打印制成的堆疊式 3D 打印零件（照片來源：3DSystems）

9. 成本優(yōu)化

復雜的幾何形狀和更輕的零件是 DfAM 重要的關鍵原因，但如果成本太高，那么能夠創(chuàng)建它們有什么好處呢？幸運的是，DfAM 實際上已被證明可以降低制造零件的成本。2020 年，Barnes Group 認為增材制造零件成本的 86% 是由設計驅動的，這一點已被一再證明。只有通過設計，您才能減少材料的使用量，同時繼續(xù)保持強度和其他性能，最終影響零件的成本。此外，重要的是要考慮到更復雜并不意味著更昂貴。事實上，通過改進設計，情況可能恰恰相反！

10. 基于3D技術的優(yōu)化

最后但同樣重要的一點是，DfAM 很重要，因為它允許用戶根據(jù)所使用的特定 3D 打印技術來優(yōu)化零件。3D 打印技術有七個技術系列，其中包含更多的工藝，它們之間存在顯著的差異。一個例子是基于粉末的技術，其中設計可能應該集成逃逸孔，以確保零件打印為空心（這在 FDM 或樹脂 3D 打印中不會是問題）。同時，在 FDM 3D 打印中，各向異性很常見，因此必要時考慮 DfAM 可以幫助改善零件的各向同性。