隨著對(duì)3D打印的信心增強(qiáng)，越來越多的設(shè)計(jì)工程師正在尋找這一新工藝可以增加競爭優(yōu)勢的地方。雖然與3D打印相關(guān)的成本正在降低，但金屬打印仍然是一筆很大的支出。此外，3D打印金屬仍然具有許多變量和控件，而這些變量和控件對(duì)用戶不怎么“友好”。由于投資相對(duì)較大且對(duì)知識(shí)的需求相對(duì)較高，設(shè)計(jì)工程師可能會(huì)對(duì)金屬打印敬而遠(yuǎn)之。

3D打印金屬或塑料的一些初始優(yōu)點(diǎn)是能夠生成其他工藝無法實(shí)現(xiàn)的幾何形狀。此外，內(nèi)部通道、將多個(gè)部件合而為一、優(yōu)化幾何形狀、改進(jìn)功能、減少工具和提高靈活性是設(shè)計(jì)工程師能想到的一些優(yōu)勢，但也要考慮到3D打印的其他間接優(yōu)勢：

·交貨時(shí)間長：由于零件或工具的交付周期導(dǎo)致停機(jī)成本極高，3D打印可提供解決方案。特別是對(duì)于工裝，設(shè)計(jì)工程師可以通過直接打印零件或打印工具來消除或減少時(shí)間。

·高庫存成本：3D打印允許按需生產(chǎn)，減少庫存需求。

·從供應(yīng)商獨(dú)家采購：如果3D打印的零件通過鑒定，公司將不再依賴供應(yīng)商。

·遠(yuǎn)程位置：當(dāng)遠(yuǎn)程位置限制部件交付時(shí)，現(xiàn)場3D打印可以消除交貨時(shí)間。

·進(jìn)出口成本高：本地化3D打印生產(chǎn)也消除了高昂的進(jìn)出口成本。

以金屬打印設(shè)計(jì)為重點(diǎn)，牢記成本是非常重要的。重要的是工程師了解金屬3D打印流程之間的區(qū)別是什么？不同的流程可能具有不同的能力、材料選項(xiàng)，甚至不同的材料屬性。設(shè)計(jì)可以大大增加或減少后處理時(shí)間和成本。特別是粉末床工藝，后處理比打印過程更容易浪費(fèi)更多的時(shí)間和成本。下面我們就來探討一下，在使用金屬粉末床3D打印之前，我們進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)要記住的一些注意事項(xiàng)和限制。

設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

了解3D打印是一個(gè)不斷發(fā)展的行業(yè)是非常重要的。五年前的機(jī)器可能不具備與新設(shè)備相同的功能。幾年前、不同品牌的指南可以有各種設(shè)計(jì)參數(shù)。例如，如果專家說需要支撐結(jié)構(gòu)來應(yīng)付超過30度的懸伸。而另一位專家則表示不會(huì)，這種沖突可能是由于設(shè)備的使用年限或類型，甚至是使用的材料類型。如果設(shè)計(jì)限制或可能性發(fā)生變化，請(qǐng)務(wù)必詢問原因。

重要的是要理解燒結(jié)和熔化之間的區(qū)別。燒結(jié)通常使用低功率的激光，能量足以壓實(shí)而不會(huì)熔化粉末。這也可能是炒作和營銷中被忽略的概念，因此，了解公司是否提供燒結(jié)、熔化或兩者兼而有之很重要。

在進(jìn)入3D打印設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)的某些方面不會(huì)改變。工程基礎(chǔ)如設(shè)計(jì)中存在的應(yīng)力不會(huì)因工藝而改變。如果零件斷裂，不要認(rèn)為是3D打印工藝造成了問題。金屬3D打印的設(shè)計(jì)，與鑄造或CNC加工有很大的不同。例如，減材工藝往往具有尖角，而3D打印受益于漸進(jìn)式構(gòu)建，邊緣或拐角處呈圓角或倒角。漸進(jìn)式構(gòu)建還可能減少面朝下的表面和支撐結(jié)構(gòu)。

3D設(shè)計(jì)中，應(yīng)該從CAD軟件開始進(jìn)行更具體的考慮。就像傳統(tǒng)設(shè)計(jì)一樣，先行在軟件中設(shè)計(jì)和測試零件可以節(jié)省大量的時(shí)間和金錢。金屬3D打印中，這一過程更為重要。盡可能多地進(jìn)行數(shù)字規(guī)劃以防止失敗，特別是在打印金屬時(shí)，因?yàn)樗绕渌に嚫嘿F。打印失敗會(huì)將粉末浪費(fèi)在失效部件上。此外，根據(jù)材料的不同，未固化的粉末需要更換或回收，其中涉及過濾和添加一些原始粉末以確保材料性能得以保持。設(shè)計(jì)工程師需要重視打印失敗導(dǎo)致的成本和時(shí)間損失，哪怕花費(fèi)額外的時(shí)間來設(shè)置一個(gè)過程檢查并反復(fù)檢查CAD文件和新打印代碼也是值得的。

縮小軟件差距

任何具有Mastercam等程序經(jīng)驗(yàn)的人都知道，從CAD程序轉(zhuǎn)移到生成CNC機(jī)器的g代碼可能會(huì)出錯(cuò)，甚至?xí)?dǎo)致機(jī)器崩潰。所以設(shè)計(jì)師最重要的工作是，找到可以識(shí)別設(shè)計(jì)，又專門用于3D打印功能的軟件，以填補(bǔ)設(shè)計(jì)和打印之間的空白。

曾有一本名為《metal Additive Manufacturing Software》的書提供了3D打印的注意事項(xiàng)。部分摘錄如下：

·導(dǎo)入：將3D CAD模型用作網(wǎng)格或?qū)嶓w，并執(zhí)行可打印性檢查。如有需要，可以調(diào)整或修復(fù)模型以使其可打印。

·定位和修改：根據(jù)打印時(shí)間、表面質(zhì)量、材料消耗等標(biāo)準(zhǔn)，將零件定位在打印托盤上，以獲得最佳效果?？梢詫⒅圃爝^程所需的修改（如為后打印機(jī)械操作添加材料）應(yīng)用于模型。

·優(yōu)化結(jié)構(gòu)：增加體積和表面晶格以減輕重量或增強(qiáng)零件的功能特性。

·支撐：設(shè)置消除變形和構(gòu)建故障所需的支撐結(jié)構(gòu)。

·模擬和分析：能夠模擬整個(gè)構(gòu)建過程的軟件將能夠預(yù)測故障并最大限度地減少打印嘗試的次數(shù)。

此外，也可以通過某些在線檢測程序確定打印會(huì)否在打印完成之前失敗。擁有這些知識(shí)可以節(jié)省機(jī)器的操作時(shí)間，還可以避免出錯(cuò)后仍然繼續(xù)打印，浪費(fèi)材料卻得到一個(gè)廢件。在線監(jiān)測可以使用先前的故障變量溫度、速度、激光直徑、熔體直徑的知識(shí)來確定是否實(shí)時(shí)發(fā)生缺陷以即時(shí)停止操作，避免在廢件上浪費(fèi)材料與時(shí)間。

后處理和角度

有很多專家談到通過改變角度來減少設(shè)計(jì)中的后處理，但《The Definitive Guide to Direct metal Printing（直接金屬打印的權(quán)威指南）》提到的另一個(gè)考慮因素是上、下表面的區(qū)別。與朝上的表面相比，朝下的表面具有更高的粗糙度。用自支撐向下的角度減少后處理，通常會(huì)降低面向下的幾何形狀的表面質(zhì)量。這同樣取決于打印機(jī)的類型、過程和材料。

例如，鈦合金的自支撐角可達(dá)40-45度。而鋼，CoCr和鋁合金的自支撐角在50-55度之間。如果設(shè)計(jì)工程師不了解這些角度如何改變向下的表面，那么做一些測試件或進(jìn)行實(shí)驗(yàn)以確保零件質(zhì)量是很重要的。更改零件方向有助于減少支撐結(jié)構(gòu)和向下的表面粗糙度，但仍有很多需要考慮的因素。

恰當(dāng)?shù)亩ㄏ蚩梢詼p少支撐結(jié)構(gòu)，也可以減少后處理工作和降低表面粗糙度。另外，恰當(dāng)?shù)亩ㄏ蚩梢酝ㄟ^將熱量傳遞到構(gòu)建板或機(jī)器本身來減少部件的熱應(yīng)力。

方向可以減少支撐和向下的表面粗糙度，但它可能會(huì)產(chǎn)生零件中的孔隙、螺紋和熱應(yīng)力的問題。此外，需要考慮機(jī)器是在可用構(gòu)建空間內(nèi)工作。

熱應(yīng)力

更高的材料熔化溫度（例如鈦和不銹鋼）通常需要更多的能量，從而創(chuàng)造一個(gè)快速加熱局部區(qū)域的過程。由于部件是逐層構(gòu)建的，缺乏熱質(zhì)的高溫導(dǎo)致快速加熱和冷卻循環(huán)。

連接的高而細(xì)長的幾何形狀，如橋梁，連接層可能會(huì)收縮并使腿部變形。此外，建造在經(jīng)歷過收縮的層頂部的層將按原始尺寸建造并形成懸垂的脊。為了糾正這個(gè)問題，可以先用大截面構(gòu)建零件。

金屬燒結(jié)，也稱為直接金屬激光燒結(jié)（DMLS），可以降低因過熱引起的內(nèi)應(yīng)力。如果沒有其他一些工藝（包括3D打印和傳統(tǒng)工藝）引起的熱應(yīng)力，DMLS零件可以在航空航天和汽車行業(yè)中用于可能看到高應(yīng)力的應(yīng)用。DMLS還可以消除退火等后熱處理。

在觀察具有高熔融溫度的熔融工藝和材料時(shí)，熱應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致翹曲和收縮。定向零件以減少與構(gòu)建方向平行的大表面區(qū)域（X，Y平面）可以在添加下一層之前幫助散熱。支撐材料可以幫助保持幾何形狀。但是，重要的是要記住部件中的應(yīng)力，因此在應(yīng)力消除之前不要移除支撐。在消除熱應(yīng)力之前移除支撐將導(dǎo)致零件翹曲。

具有多個(gè)挑戰(zhàn)的零件的一個(gè)很好的例子可能是大的幾何形狀，比如一個(gè)矩形，具有多個(gè)高而薄的腿狀連接。顛倒構(gòu)建零件或從腿向上延伸的矩形開始將解決多方面的問題。第一，矩形的較大幾何形狀可以像散熱片一樣使用構(gòu)建板來減少熱應(yīng)力。

第二，以這種方式定向零件，消除了支撐結(jié)構(gòu)，以承載腿之間的區(qū)域。粉末床工藝用未固化的粉末填充空白區(qū)域，但是，可以在未固化的粉末上構(gòu)建區(qū)域，而下面沒有幾何形狀或支撐，使其超出公差范圍。具有橋梁或懸臂幾何形狀的打印部件仍然需要支撐。改變方向可以消除對(duì)這種支撐結(jié)構(gòu)和向下區(qū)域問題的需要。

第三，倒角和圓角也有助于減少熱應(yīng)力。如前所述的長而薄的結(jié)構(gòu)（例如腿或直立結(jié)構(gòu)）可以在層之間的構(gòu)建空間中移動(dòng)。添加或拉長倒角、圓角或添加支撐將有助于在Z軸上構(gòu)建細(xì)長幾何形狀時(shí)保持公差。

定向零件可能看起來很簡單，但由于熱應(yīng)力、支撐結(jié)構(gòu)以及3D打印帶來的其他問題，設(shè)計(jì)工程師需要知道設(shè)備如何使用不同的材料和新的幾何形狀。擁有可模擬打印過程并考慮材料特性和熱應(yīng)力的軟件將減輕設(shè)計(jì)工程師的“頭痛癥狀”并促進(jìn)成功的打印。無論有無CAD功能，請(qǐng)記住，熱應(yīng)力與熔化的表面積和凝固過程中的溫降成正比。為了緩解這種情況：

·減少每層熔化的面積

·確保沿Z軸最長的方向

·多量小部件要優(yōu)于一個(gè)大部件

·確?；搴蜋C(jī)器有良好的熱傳遞

熱量傳遞越好，部件翹曲越少。如果在設(shè)計(jì)中可以減少熱應(yīng)力，熱應(yīng)力的方向可能就不是一個(gè)問題了。這為解決其他方向問題提供了更大的靈活性。

例如，如果零件具有垂直于構(gòu)建方向的孔或螺紋，則可能需要使用支撐。這將減少后處理。直徑小于8毫米的孔可能是自支撐的，但垂直于構(gòu)建方向的孔無論大小都將是自支撐的。

定向可能很困難，因?yàn)閷?duì)支撐、熱應(yīng)力、孔和螺紋的需求可能需要以不同方式改變方向，不同的流程、材料、軟件甚至打印模型可能會(huì)消除或減少這些問題。這就是為什么在各種材料和打印機(jī)方面的專業(yè)知識(shí)能夠在制造業(yè)中提供巨大競爭優(yōu)勢的部分原因。通過了解用于處理零件的材料和打印機(jī)的功能，設(shè)計(jì)人員將能夠從一組設(shè)計(jì)規(guī)范開始，這些規(guī)范可以極大地改善下游時(shí)間和成本。