據了解，目前一些公司會用增材制造直接替代傳統制造，但是往往會出現部件成本過高，無法投入商用的局面。這是因為他們沒有考慮到增材制造工藝的特殊性。使用專門為增材制造設計的零件，制造商可以在提高技術的同時降低生產成本以及提高效率。本篇文章中，魔猴網研究了優化的增材制造零件設計對機器運行成本的影響。

在缺乏專門設計的零件的情況下，增材制造生產成本會十分高昂，而工業增材制造系統也價值不菲，并且部分生產速度十分緩慢。目前能夠生產金屬零件的增材制造系統的成本大約在在50萬美元到100多萬美元之間。

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如果以全年80%的運行時間計算，那么金屬3D打印系統每年運作的時間約為7000小時。對于高科技設備，兩年的投資回報期（ROI）是成本計算的合理平均值，這也就意味著根據設備價值不同，每小時的運行成本為每小時37美元到每小時90美元不等。

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如果取每小時65美元為中間值，那么一個需要10小時構建的部件就會產生650美元的機器成本。而金屬3D打印的構建時間通常遠遠不止。當構建時間超過100小時，這個零件的單獨機器成本就會高達6500美元。

重涂時間和零件設計

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不同于大小高度，金屬3D打印零件生產過程中，各層的重涂時間不受零件設計的影響。重涂是指在用激光熔化前撒上一層粉末。根據機器不同，每層重涂的時間一般為4到15秒。假設一個部件的高度為100毫米，層厚度為50微米，由2,000層組成，那按每層重涂時間為8秒，則總重涂時間為16,000秒（4.5小時）。每小時平均運營成本按照65美元計算，則該次重涂總時間成本約為290美元。

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表1列出了金屬3D打印的主要步驟以及通過零件設計實現總構建時間的步驟。可以看到通過改善幾個設計因素可以減少構建時間。影響時間和成本的主要因素是需要熔化的粉末量。大多數金屬3D打印系統的工作原理是以激光或電子光束逐層從外到內掃描熔化粉末，即所謂外部支撐框架到內部填充部分。該過程類似于用鉛筆在圓圈內交叉畫線：首先畫出一個圓形，然后用交叉線條填充。這意味著，表面積越大，創建零件的每一層所需的時間越長。而這個問題可以通過設計來改進。

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用于傳統CNC加工的液壓歧管一般由內部鉆有許多連接孔的金屬塊組成。液壓液體可通過這些通道流到接口處，連接連接閥門和壓力傳感器。要在金屬塊內部制造連接通道，傳統工藝唯一的方法是從外部鉆孔。如果使用3D打印的話，則想像把歧管整體平剖，就像是正方形中留有幾個孔（如圖1所示），逐層打印完成。

圖1 左：液壓歧管右：打印層示例

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那么每層的內部填充部分需要長掃描距離。如果歧管尺寸為100 x 100 mm，填充間距設置為0.1 mm，則每個正方形需要大約100米的掃描。換句話說，光束必須行進超過100米才能完成創建一層。再按光束以每秒330毫米的行進速度計算，填充完一層的時間則需要300秒（5分鐘），產生5.41美元的機器成本。

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減少材料用量

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相反，如果將歧管主體與外部框架從金屬塊中剝離，則會大大減少了掃描量，加快打印時間（圖2）。設置與上文同等的間距參數，歧管厚度設置為2mm，則總掃描距離約為4.5米，減少超過95％。如果光束以每秒330毫米的速度行進，填充完一層的時間為13.6秒，機器運行成本減少至0.24美元。

圖2 如果將打印主體從固體材料剝離出來，掃描時間減少，打印速度變快

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這部分完成后，再將未熔化的粉末填充進內部空腔。在不需要考慮重量的情況下，可保留未熔化的粉末；如需考慮重量，則可添加開口以便后期去除粉末。還有一種不需要考慮重量的情況，則可在部件內部填充支撐結構。

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在設計增材制造部件時，最大限度地減少大量固體材料是有幫助的。與注塑成型中的固定厚度相似，大量材料通常不具備太大的工程優勢并可能導致部件翹曲并引起殘余應力。此外，大量的材料會延長構建時間。設計技巧可以減少材料應用，例如凝殼技術還有用蜂窩晶格或多孔結構來進行填充。

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熱應力消除時間也會隨著材料減少相應縮短。如果部件沒有使用大量材料切壁厚小于一般標準，則構建過程中的殘余應力較小，從而縮短了熱處理時間。

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構建時間與支撐結構

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從構建時間的角度來看，最好能在最低構建高度，以最少的層數和最快的時間完成一個零件制造。另外，零件的機械性能、幾何精度、表面光潔度和支撐材料也會受構建方向影響，因此設計時也需要充分考慮這些因素。

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金屬3D打印設計的一個重要目的是減少構建零件的支撐材料數量。支撐材料用于將零件固定到構建平臺，并幫助支撐和保持零件懸垂特征。最重要的是，支撐材料可以幫助部件散熱，最大限度地減少熱變形。但是制造過程中，需要特別避免部件內部的支撐材料，例如歧管通道內部，因為這很難或無法移除。

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圖3顯示了歧管制造的三種形式。左：傳統機器加工和鉆孔設計；中：需要大量支撐結構的凝殼設計；右：完全優化的設計。可以看到優化的設計構建時只需使用很少的支撐材料，相對的也更容易移除。 而表2則顯示三種不同設計所需的時間、成本和材料重量。

圖3 三種不同的歧管制造方式

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左：傳統機器加工和鉆孔設計；中：需要大量支撐結構的凝殼設計；右：完全優化的設計。

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歧管這個例子說明機器成本對增材制造零件生產的影響，是總成本中最重要的因素，但可以通過避免使用大量材料和減少填充時間來降低。前文的數字已經證明，高厚度的支撐外殼也會產生實質性的影響。

表1 金屬3D打印的主要步驟及其對部件設計的影響

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表2 三種不同設計的時間、價格與重量