增材制造工藝在DfAM設計過程的應用思考

魔猴君  行業資訊   735天前

面向增材制造的設計（DfAM）是指結構設計工程師利用增材獨特的工藝優勢去構建產品的設計過程。這就要求設計工程師在整個設計過程中都必須時刻考慮增材制造的工藝約束對設計的影響。

隨著增材制造的應用的普及，增材制造給產品設計帶來的優勢已經愈發明顯，比如將零件進行輕量化以及將多個零件合并到一起成為一個零件，并且提高力學性能。在每次對增材產品進行設計的時候都是一個思考過程，在這個過程中需要做出慎重方案決策，不光要針對設計準則的設計，還有諸多輕量化與力學性能的條件考慮。

在全球各地的制造公司對增材制造的關注越來越多，在條件允許的情況下對產品零件進行專門面向增材制造變得越來越重要。但是在很多常規零件中對增材制造來說意義并不大，對于許多很多需要開模的常規零件，在試驗階段如果采用增材制造會節省很多成本，例如在汽車行業中增材制造就在前期設計階段對成本節約有著顯著的表現。

在增材制造領域中，有著不同的設計層次，分別是直接替換零件的制造工藝、改變零件微小細節以適應增材制造工藝、專門面向增材制造的設計，這三種設計方式所帶來的結果是不同的，當然最后一種面向AM的設計是三種中最優的選擇，它不僅能夠實現輕量化而且還可以改善零件的力學性能以及裝配難易度與所占空間的大小。

增材制造為產品增值

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”的生產方式，相對于傳統常規的制造技術增材制造的速度是非常慢的，所以我們應該在增材制造能夠為其帶來產品增值的情況下去使用。

在產品的概念設計階段，工程師們應該根據整個產品的結構以及零件配置的影響做出分析后，確認零部件產品的制造工藝，如選擇增材制造可以使產品的利益最大化，再對零件進行專門的增材制造工藝設計。

增材制造工藝在DfAM設計中應用

1）成型方向

在我們進行增材制造的零件設計時要針對零件不同材料的工藝局限，對零件外形也要根據工藝限制去進行更改，同時也要考慮到材料的成型方向問題對零件的影響。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的效果是非常光滑的，而且打印風險也是非常低的，而右圖中側面邊界打印出來的效果是比較粗糙的，而且坍塌風險也是非常大的，如下圖2- Gyroid晶胞試件中所示，圖中晶胞左側是沿著打印成型方向生長的，非常細膩光滑。而圖中右側橫向跨度面比較多，效果很顯然非常粗糙，所以我們在設計的過程中，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，在零部件產品設計時，也要考慮在零件打印結束后零件清粉的問題，要至少保證零件的最小間隙不能小于具體某個數值，不同材料進行不同最小孔徑的選擇。當然有時在性能與工藝產生矛盾時，要采取一個折中的方案。

3）成型跨度

零件的較大跨度的位置表面會非常粗糙如圖3-無支撐橋所示。

圖3-無支撐橋

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量會很差，并且在結構上非常的不健全，甚至會有可能損毀鋪粉裝置。

4）零部件的擺放方向

在設計時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，以及支撐量、強度、表面質量、材料性能。通過這種方式也可以根據零件的力學邊界條件，改變打印方向從而避免零件的各向異性所帶來的各種強度問題，對于金屬打印影響是比較小的，而且可以通過熱處理或者其他的后處理工藝進行解決，比如熱等靜壓。

里程碑式案例

在今年6月13日，增材制造在航空領域的應用又一次迎來了里程碑式的發展，由德國漢莎航空技術公司3D打印技術中心研發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的鍛造工藝制造，它的作用主要是在發動機進氣罩上固定一個環形的熱空氣通道，每臺發動機上都具有9個A-Link零件。在發動機運轉時會發生震動從而導致A-Link在安裝孔位置造成磨損，所以每個一段時間就要對零件進行更換。

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發首選。

另外還有它的安全冗余也是非常大的，由于每臺發動機上都有9個A-Link零件，空客公司的支架是由4個零件并聯排列的，那么就是說在飛行過程中有一個零件發生失效，也不會造成致命性的問題。

這樣類型的零件通過拓撲優化后對其進行了輕量化設計，同時也節省了摸具費用，以及定制模具的時間成本，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了許多機會。

增材制造正處于一種快速的發展衍變的狀態，將來將會有更多的新的技術、新的軟件、新的材料去充實增材制造這個行業，并且也會有更多的公司學校去投入至增材行業，這將是一個值得人們期待的行業。

作者：

李瑞鵬  結構設計工程師  對增材制造設計有豐富的項目經驗，根據仿真拓撲結果對零部件進行輕量化結構設計，以及使用三周期極小曲面的晶胞進行換熱器結構結構設計，針對打印工藝對傳統工業設計零件面向增材工藝優化。

來源：中國3D打印網