干貨——直接金屬3D打印的十大設(shè)計(jì)維度

每一種增材制造技術(shù)都有各自對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)原則，這樣才能更好地發(fā)揮出技術(shù)本身的優(yōu)勢(shì),，提高部件生產(chǎn)質(zhì)量,。Proto Labs高級(jí)質(zhì)量工程師Jonathan Bissmeyer向我們介紹了直接金屬3D打印（DMLS技術(shù)）的“十大設(shè)計(jì)維度”,，南極熊覺(jué)得,，只有部件通過(guò)了拓?fù)鋬?yōu)化和輕量化以后采可以最大限度發(fā)揮3d打印技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，那么接下來(lái)隨技術(shù)牛人一起看看如何才能更好地避免設(shè)計(jì)漏洞吧,！

1.首先,，直接金屬3D打印的設(shè)計(jì)要專注兩個(gè)要求：
減少部件數(shù)量在金屬3D打印技術(shù)的基礎(chǔ)上，可以將部件設(shè)計(jì)為一體化的,，這樣能減少大量的組裝和維修功夫,，從而節(jié)省成本。當(dāng)然,，這也有利于減重,。

NextGen 3D打印汽車框架體現(xiàn)了一體化設(shè)計(jì)的概念,。所有的鋼制組件都能通過(guò)3D打印節(jié)點(diǎn)相連接，而這些節(jié)點(diǎn)的厚度和幾何形狀可以自由調(diào)整,。

減重另一個(gè)減重的策略是,，進(jìn)行空心設(shè)計(jì)。對(duì)航天航空業(yè)等制造部門來(lái)說(shuō),，減重很重要,，因?yàn)榭梢怨?jié)省燃油。

2.精度細(xì)節(jié)
直接金屬3D打印設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)0.006英寸的成型精度,。對(duì)一些類似網(wǎng)格結(jié)構(gòu),、尖銳的設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，這種精度太重要了,。但當(dāng)然并非部件的每一部分精度都得這么高。3D打印過(guò)程中的快速加熱與冷卻過(guò)程會(huì)對(duì)部件內(nèi)部施加應(yīng)力,，從而產(chǎn)生一定變形,，影響精度。

以上5個(gè)2英寸高的面板是按照不同厚度進(jìn)行設(shè)計(jì)打印的,。最薄的一個(gè)厚度僅為0.006英寸（0.15毫米）,。右邊的面板僅為四分之一英寸高，然后向左依次增加高度,。這些部件中,，1毫米厚度的部件是唯一一個(gè)沒(méi)有發(fā)生翹曲的。

一個(gè)通用原則是,，垂直部件高度與壁厚比應(yīng)保持在40:1左右,。設(shè)計(jì)時(shí)，可以減少無(wú)支撐垂直的結(jié)構(gòu),，多在邊緣部分設(shè)置包裹加固的部分,。

3.表面精度
DMLS部件的表面光潔度通常被看作一大挑戰(zhàn)。表面粗糙度會(huì)碎材料,、構(gòu)建參數(shù),，部件路徑而變化。通過(guò)調(diào)節(jié)參數(shù),，可以從一定程度上降低表面粗糙度,，但可能會(huì)相應(yīng)地犧牲材料參數(shù)。

后續(xù)輔助操作（如機(jī)械加工,、手工拋光）可以降低表面粗糙度,，但一些特殊表面可能比較難直接處理。另外,，這些后處理的成本是一大問(wèn)題,。

不同材料和打印路徑的典型Ra值對(duì)比（設(shè)備為兩臺(tái)Concept Laer的DMLS 3D打印機(jī)）

通常來(lái)說(shuō),，向下傾斜一定角度的表面最粗糙，而垂直側(cè)壁表面表面會(huì)比較精細(xì)光潔,。因此在進(jìn)行3D打印之前,，最好能先確定好關(guān)鍵表面和特征。

4.外部支撐
在DMLS部件中,，設(shè)置支撐的原因有兩個(gè)：將部件固定在合適位置,、消除打印過(guò)程的內(nèi)部應(yīng)力。當(dāng)部件有厚的橫截面時(shí),，需要增加支撐防止翹曲,。

無(wú)論是增加支撐，還是去支撐,，都是要花時(shí)間,、花成本的。因此設(shè)計(jì)時(shí)考慮這個(gè)方面,，盡量減少支撐是很關(guān)鍵的,。

5.內(nèi)部特征
在增材制造的基礎(chǔ)上，你可以在單個(gè)零件的文件中創(chuàng)建內(nèi)部特征,，但這必須謹(jǐn)慎,。要考慮好通道尺寸和形狀、懸垂距離,、內(nèi)部支撐角度和連接面的尺寸,。

可以考慮用自支撐晶格結(jié)構(gòu)代替內(nèi)部空隙，這種做法不僅大大降低了部件重量,，還可以減少打印時(shí)的內(nèi)部應(yīng)力,。

6.內(nèi)部（自）支撐
比如自支撐的角度設(shè)計(jì)。角度越低,，支撐能力越小,。實(shí)際的角度值要根據(jù)材料和打印路徑進(jìn)行調(diào)整，45°角一般能比較好地起到支撐作用,，并保持一致的表面粗糙度,。

7.懸垂結(jié)構(gòu)
懸垂是設(shè)計(jì)中要考慮的一個(gè)關(guān)鍵組成部分。懸突是與逐漸自支撐角相比的幾何形狀的突然變化,。 與其他3D打印技術(shù)不同,，DMLS保留無(wú)支撐懸垂結(jié)構(gòu)的能力有限。 無(wú)支撐懸垂達(dá)到0.020英寸（0.5毫米）的時(shí)候,，很容易會(huì)出現(xiàn)構(gòu)建失敗的情況,。

8.內(nèi)部通道
越來(lái)越多的部件會(huì)設(shè)置共形冷卻通道和模具空隙。隨形冷卻通道可以延長(zhǎng)部件壽命,。在內(nèi)部通道的設(shè)置上,，首先要了解尺寸限制,。直徑大于8毫米的通道可能會(huì)產(chǎn)生向下變形，這時(shí)候可能金剛石,、水滴形狀會(huì)比常規(guī)的圓形通道更好,。

9.連接面
連接面是在兩側(cè)或多側(cè)間起連接作用的平坦部分，在DMLS技術(shù)中,，其無(wú)支撐距離跨度大于2毫米是,，容易出現(xiàn)問(wèn)題。

10.內(nèi)部應(yīng)力
快速加熱和冷卻產(chǎn)生了內(nèi)部應(yīng)力,。垂直面/柱之間的過(guò)渡拱道可以減少或消除內(nèi)部應(yīng)力,。

大的實(shí)心部件容易發(fā)生翹曲。除了打印起始位置不正確,，低粘附性也可能是原因之一,。增加支撐、設(shè)置更大的橫截面,，有助于消除內(nèi)部應(yīng)力,。

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