增材設(shè)計(jì)（DfAM）在3D打印中至關(guān)重要的10個(gè)原因

在增材制造領(lǐng)域,，建模設(shè)計(jì)對于零件的創(chuàng)建有著至關(guān)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(shè)計(jì)”，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(shè)計(jì)方法和工具,，DfAM 允許用戶利用 3D 打印中存在的設(shè)計(jì)自由度的優(yōu)勢它是制造功能性,、高性能零件的關(guān)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(gè)原因：

1. 減少 3D 打印錯(cuò)誤

打印失敗是任何3D打印用戶的都難以接受的結(jié)果,。特別是當(dāng)涉及高度工業(yè)化的工藝時(shí),，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(cuò)誤確實(shí)會(huì)在成本和時(shí)間方面給用戶造成損失,。這就是DfAM 的體現(xiàn)價(jià)值的地方。通過設(shè)計(jì),，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(huì)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(shè)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?yàn)檫@些技術(shù)使用戶能夠以傳統(tǒng)制造方法所用時(shí)間的一小部分來制造零件。然而,，這個(gè)速度并不是給定的,。通過使用 DfAM,，可以使用晶格結(jié)構(gòu)等來優(yōu)化設(shè)計(jì)，以保持強(qiáng)度,，同時(shí)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(jié)構(gòu)，減少了打印時(shí)間,。

3. 更復(fù)雜的設(shè)計(jì)

在 3D 打印中,，當(dāng)設(shè)計(jì)更加復(fù)雜時(shí)，不會(huì)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(shè)計(jì)規(guī)則創(chuàng)建的幾何形狀復(fù)雜得多的幾何形狀。通過軟件,，可以設(shè)計(jì)并打印幾何形狀更加復(fù)雜的零件,，尤其是金屬零件。這種復(fù)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(shè)計(jì)軟件來全面優(yōu)化零件,。3D 打印在航空航天和汽車等領(lǐng)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(shí)仍保持其強(qiáng)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(jié)構(gòu)或使用零件的拓?fù)鋬?yōu)化和生成設(shè)計(jì),。這些專門設(shè)計(jì)用于優(yōu)化和生成零件,，以減少材料，同時(shí)仍滿足強(qiáng)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(fù)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?fù)鋬?yōu)化（照片來源：nTop）

5. 更少的支撐結(jié)構(gòu)

3D打印從業(yè)者很容易將支撐結(jié)構(gòu)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(huì)變形或翹曲絕對至關(guān)重要,，但它們也意味著更多的材料使用（影響成本和時(shí)間），這反過來又會(huì)使后處理時(shí)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(xì)設(shè)計(jì)零件,，例如減少懸伸、改進(jìn)方向或正確選擇填充設(shè)置,，用戶在制造零件時(shí)可以減少支撐,。

6. 減少后處理

繼續(xù)上一點(diǎn)，DfAM 重要的另一個(gè)重要原因是它將允許用戶減少整體的后處理流程。當(dāng)然,，能夠做到這一點(diǎn)的主要原因之一是通過優(yōu)化支撐結(jié)構(gòu),，這意味著拆除它們將花費(fèi)更少的時(shí)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(huì)花費(fèi)更長的時(shí)間，因此轉(zhuǎn)向 DfAM 是有好處的,。

7. 零件整合

DfAM 重要的另一個(gè)原因是零件整合,。使用增材制造的一個(gè)日益流行的原因，尤其是在航空航天和汽車等領(lǐng)域,，是能夠通過更復(fù)雜的幾何形狀將多個(gè)零件整合為一個(gè)零件,。其中一個(gè)例子是 Czinger 21C 超級跑車，制造商 Divergent 3D 聲稱它能夠?qū)��?shù)千個(gè)零件整合為幾百個(gè)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(shí)現(xiàn)，并且可以通過學(xué)習(xí)和采用 DfAM 規(guī)則來完成,。

8. 提高可擴(kuò)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(shù),。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(kuò)展性。然而,，對于 SLS,、DMLS、樹脂 3D 打印和粘合劑噴射等技術(shù),，DfAM 在擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模方面可以發(fā)揮關(guān)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(gòu)建體積上,。此外,，將 DfAM 考慮在內(nèi)可以幫助用戶克服 3D 打印難以進(jìn)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(fù)雜的幾何形狀和更輕的零件是 DfAM 重要的關(guān)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(yùn)的是,，DfAM 實(shí)際上已被證明可以降低制造零件的成本,。2020 年，Barnes Group 認(rèn)為增材制造零件成本的 86% 是由設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)的，這一點(diǎn)已被一再證明,。只有通過設(shè)計(jì),，您才能減少材料的使用量，同時(shí)繼續(xù)保持強(qiáng)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(fù)雜并不意味著更昂貴,。事實(shí)上,，通過改進(jìn)設(shè)計(jì)，情況可能恰恰相反,！

10. 基于3D技術(shù)的優(yōu)化

最后但同樣重要的一點(diǎn)是,，DfAM 很重要，因?yàn)樗�允許用戶根據(jù)所使用的特定 3D 打印技術(shù)來優(yōu)化零件,。3D 打印技術(shù)有七個(gè)技術(shù)系列,，其中包含更多的工藝，它們之間存在顯著的差異,。一個(gè)例子是基于粉末的技術(shù),，其中設(shè)計(jì)可能應(yīng)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(huì)是問題）,。同時(shí),，在 FDM 3D 打印中，各向異性很常見,，因此必要時(shí)考慮 DfAM 可以幫助改善零件的各向同性,。