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

隨著(zhù)增材制造的應(yīng)用的普及，增材制造給產(chǎn)(chǎn)品設(shè)計帶來(lái)的優(yōu)(yōu)勢已經(jīng)(jīng)愈發(fā)(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)(xué)性能。在每次對增材產(chǎn)(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計的時(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，不光要針對設(shè)計準(zhǔn)則的設(shè)計，還有諸多輕量化與力學(xué)(xué)性能的條件考慮。

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

在增材制造領(lǐng)(lǐng)域中，有著(zhù)不同的設(shè)計層次，分別是直接替換零件的制造工藝、改變零件微小細節(jié)以適應(yīng)增材制造工藝、專(zhuān)門(mén)面向增材制造的設(shè)計，這三種設(shè)計方式所帶來(lái)的結(jié)果是不同的，當(dāng)然最后一種面向AM的設(shè)計是三種中最優(yōu)(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)(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)(chǎn)品增值

對于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)(chǎn)方式，相對于傳統(tǒng)常規(guī)的制造技術(shù)(shù)增材制造的速度是非常慢的，所以我們應(yīng)該在增材制造能夠為其帶來(lái)產(chǎn)(chǎn)品增值的情況下去使用。

在產(chǎn)(chǎn)品的概念設(shè)計階段，工程師們應(yīng)該根據(jù)整個(gè)產(chǎn)(chǎn)品的結(jié)構(gòu)以及零件配置的影響做出分析后，確認零部件產(chǎn)(chǎn)品的制造工藝，如選擇增材制造可以使產(chǎn)(chǎn)品的利益最大化，再對零件進(jìn)行專(zhuān)門(mén)的增材制造工藝設(shè)計。

增材制造工藝在DfAM設(shè)計中應(yīng)用

1）成型方向

在我們進(jìn)行增材制造的零件設(shè)計時(shí)要針對零件不同材料的工藝局限，對零件外形也要根據(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)打印方向為紅色箭頭方向，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)(fēng)險也是非常低的，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)(fēng)險也是非常大的，如下圖2- Gyroid晶胞試件中所示，圖中晶胞左側(cè)是沿著(zhù)打印成型方向生長(cháng)的，非常細膩光滑。而圖中右側(cè)橫向跨度面比較多，效果很顯然非常粗糙，所以我們在設(shè)計的過(guò)程中，針對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SLM工藝而言，在零部件產(chǎn)(chǎn)品設(shè)計時(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)(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)(zhì)量會(huì )很差，并且在結(jié)構(gòu)上非常的不健全，甚至?xí)鋅贍軗p毀鋪粉裝置。

4）零部件的擺放方向

在設(shè)計時(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、強度、表面質(zhì)(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)(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)的各種強度問(wèn)題，對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)(lǐng)域的應(yīng)用又一次迎來(lái)了里程碑式的發(fā)(fā)展，由德國漢莎航空技術(shù)(shù)公司3D打印技術(shù)(shù)中心研發(fā)(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)(fā)動(dòng)機進(jìn)氣罩上固定一個(gè)環(huán)(huán)形的熱空氣通道，每臺發(fā)(fā)動(dòng)機上都具有9個(gè)A-Link零件。在發(fā)(fā)動(dòng)機運轉(zhuǎn)時(shí)會(huì )發(fā)(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)間就要對零件進(jìn)行更換。

該零件主要受到的載荷是拉壓類(lèi)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)(fā)首選。

另外還有它的安全冗余也是非常大的，由于每臺發(fā)(fā)動(dòng)機上都有9個(gè)A-Link零件，空客公司的支架是由4個(gè)零件并聯(lián)(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)(fā)生失效，也不會(huì )造成致命性的問(wèn)題。

這樣類(lèi)型的零件通過(guò)拓撲優(yōu)(yōu)化后對其進(jìn)行了輕量化設(shè)計，同時(shí)也節(jié)省了摸具費用，以及定制模具的時(shí)間成本，對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)了許多機會(huì )。

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

作者：

李瑞鵬  結(jié)構(gòu)設(shè)計工程師  對增材制造設(shè)計有豐富的項目經(jīng)(jīng)驗，根據(jù)仿真拓撲結(jié)果對零部件進(jìn)行輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計，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，針對打印工藝對傳統(tǒng)工業(yè)(yè)設(shè)計零件面向增材工藝優(yōu)(yōu)化。

來(lái)源：中國3D打印網(wǎng)(wǎng)