第一節(jié) 突破傳統(tǒng)制造思維的限制

3D打印/增材制造技術(shù)正在加速發(fā)展，并成為一種強(qiáng)大的生產(chǎn)技術(shù)，但在工業(yè)制造中應(yīng)用該技術(shù)的一大障礙是，目前絕大多數(shù)的工業(yè)設(shè)計(jì)師所熟悉的制造技術(shù)是減材或等材制造技術(shù)，他們了解傳統(tǒng)制造技術(shù)所要求的設(shè)計(jì)規(guī)則，在設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)根據(jù)這些制造技術(shù)的特點(diǎn)來調(diào)整設(shè)計(jì)方案，然而對于增材制造技術(shù)的特點(diǎn)知之甚少。突破傳統(tǒng)制造思維的限制成為增材制造是否能發(fā)揮潛力的一大挑戰(zhàn)。

多年來形成的規(guī)則已經(jīng)占據(jù)了設(shè)計(jì)師的大腦，這就意味著，當(dāng)設(shè)計(jì)師們在設(shè)計(jì)一件3D打印零件或產(chǎn)品的時(shí)候，需要打破以往頭腦中所熟知的設(shè)計(jì)規(guī)則，遵循一種滿足增材制造技術(shù)特點(diǎn)和工藝要求的全新設(shè)計(jì)思路——為增材制造而設(shè)計(jì)（DfAM）。

“為增材制造而設(shè)計(jì)”最常見的定義是：基于增材制造技術(shù)的能力，通過形狀、尺寸、層級結(jié)構(gòu)和材料組成的系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)最大限度提高產(chǎn)品性能的方法。為增材制造而設(shè)計(jì)不僅僅是一種設(shè)計(jì)方法，更是一種策略。在工作中設(shè)計(jì)工程師會(huì)遇到很多挑戰(zhàn)，包括如何獲得最優(yōu)的結(jié)構(gòu)形狀，如何將最優(yōu)的結(jié)構(gòu)形狀與最優(yōu)的產(chǎn)品性能相結(jié)合，并在設(shè)計(jì)時(shí)將3D打印零件的后處理等工藝對設(shè)計(jì)的影響考慮進(jìn)來。

為增材制造而設(shè)計(jì)離工業(yè)制造并不遙遠(yuǎn)，比如說我國的航天制造企業(yè)中國航天科技集團(tuán)五院總體部針對其3D打印零件進(jìn)行了點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)胞元性能的研究，結(jié)合三維點(diǎn)陣在航天器結(jié)構(gòu)中應(yīng)用的實(shí)際情況，提出了三維點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)胞元的表達(dá)規(guī)范，這些研究遵循典型的增材制造設(shè)計(jì)思路。

可以說，“為增材制造而設(shè)計(jì)”這一理念的倡導(dǎo)和執(zhí)行層面的系統(tǒng)建設(shè)是當(dāng)前3D打印向應(yīng)用端深化的重心和必經(jīng)之路。

1.理解加工過程

在金屬機(jī)械加工過程中，加工刀具可以由人工來進(jìn)行選擇，從而制造出特定的細(xì)節(jié)特征，刀具的大小決定了零件的孔和槽的最小尺寸。在注塑加工過程中，注塑模具的形狀決定了產(chǎn)品的形狀。

而增材制造過程中發(fā)生的各種變化，比機(jī)械加工過程要復(fù)雜得多。為什么這么說呢?以基于粉末床工藝的選區(qū)激光熔融（SLM）3D打印技術(shù)為例，金屬粉末材料被激光掃描和加熱，每個(gè)激光點(diǎn)創(chuàng)建了一個(gè)微型熔池，金屬粉末將經(jīng)歷一個(gè)從熔融到冷卻凝固的過程。在此過程中，影響零件細(xì)節(jié)特征的不是刀具，而是激光光斑尺寸和激光器的功率。激光光斑的尺寸以及激光所帶來的熱量的大小決定了微型熔池的大小，從而影響著零件的微晶結(jié)構(gòu)。

在激光熔融粉末時(shí)，必須有充足的激光能量被轉(zhuǎn)移到材料中，將中心區(qū)的粉末熔融，從而創(chuàng)建完全致密的結(jié)構(gòu)，但同時(shí)熱量也會(huì)傳導(dǎo)超出激光光斑范圍，影響到周圍的粉末。所以，通常金屬3D打印零件的最小的制造尺寸需大于激光斑，超出激光點(diǎn)的燒結(jié)量，根據(jù)粉末的熱導(dǎo)率和激光能量來確定。例如，140μm的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)可使用70μm的激光點(diǎn)來制造，對應(yīng)壁厚可達(dá)到200μm。

當(dāng)然，金屬3D打印技術(shù)包括很多，這里我們介紹的僅僅是其中一種：粉末床激光熔融技術(shù)，金屬3D打印還有很多其他技術(shù)，這里不一一分析舉例。

而關(guān)于塑料3D打印，材料的發(fā)展對其應(yīng)用起到十分關(guān)鍵的作用，工藝方面則因?yàn)榱Ⅲw光固化（Stereolightgraphy Apparatus,SLA）、熔融沉積成型（Fused Deposition Modeling,FDM）等技術(shù)的快速發(fā)展而不斷走向更加細(xì)致的分支。美國Carbon、惠普（HP）、Stratasys等公司所推出的多樣化的3D打印設(shè)備，將塑料3D 打印技術(shù)推向可以與注塑工藝競爭的水平，無論是從塑料件的性能，還是從尺寸和幾何精度的角度來看，塑料3D打印已不再局限于原型制造，而是進(jìn)入到產(chǎn)品生產(chǎn)制造層面。

2.支撐結(jié)構(gòu)

3D打印技術(shù)是一種材料逐層成型，不需要使用模具的制造技術(shù)，這為產(chǎn)品的設(shè)計(jì)帶來更大的空間。但是，多數(shù)3D打印工藝在制造零件的過程中需要支撐結(jié)構(gòu)，它們將對3D打印產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方式產(chǎn)生影響，并影響整體的制造效率和成本。

比如說在選區(qū)激光熔融3D打印技術(shù)中，支撐結(jié)構(gòu)起到的作用一是加強(qiáng)和支持零件與構(gòu)建平臺(tái)的穩(wěn)定性；二是帶走零件構(gòu)建過程中多余的熱量；三是防止零件翹曲以及降低零件構(gòu)建過程中的失敗概率。在這種工藝中，去除支撐結(jié)構(gòu)的成本在后期處理中可能占總成本的70%，如果要提高增材制造的效率、降低成本，就有必要考慮如何在進(jìn)行零件設(shè)計(jì)時(shí)最大限度地減少支撐結(jié)構(gòu)的使用。

3.表面質(zhì)量

不同的3D打印技術(shù)帶來不同的表面質(zhì)量，這里面，金屬3D打印與塑料3D打印的表面質(zhì)量處于不同的市場接受度水平。隨著加工技術(shù)和材料技術(shù)的發(fā)展，塑料3D打印中的光固化技術(shù)以及熔融沉積成型技術(shù)，使得用這種技術(shù)生產(chǎn)的產(chǎn)品的表面質(zhì)量越來越接近注塑件的質(zhì)量。

而金屬3D 打印目前還沒有達(dá)到令人滿意的水平。

以常用的選區(qū)激光熔融技術(shù)為例，在制造過程中，設(shè)備的激光束將對金屬粉末進(jìn)行加熱，使其熔融，隨后經(jīng)過激光熔融的區(qū)域溫度下降。在熱傳導(dǎo)的作用下，微型熔池周圍出現(xiàn)軟化但沒有液化的粉粒。這些粉粒有的被熔融金屬吸附，成為牢固地附著在組件表面的顆粒。其他距離熱源遠(yuǎn)的粉末顆粒則未被熔融，仍留在粉末床上。

由于選區(qū)激光熔融設(shè)備在進(jìn)行零件增材制造時(shí)是逐層鋪粉的，在設(shè)備進(jìn)行后一層的激光熔融處理時(shí)，將會(huì)有一些熱量傳導(dǎo)到前一層，從而將熔融不完全的顆粒又重新熔融。在這種漸進(jìn)熔融和冷卻的相互作用下，形成增材制造零件表面的特有紋理。

增材制造零件的表面粗糙度與激光功率大小、粉末粒度、層的厚度等因素相關(guān)。原則上，通過優(yōu)化金屬粉末和激光參數(shù)這樣的方式能夠改善金屬零件的表面質(zhì)量。但是，通過調(diào)節(jié)這些因素來提升表面質(zhì)量與加工時(shí)間、加工成本之間存在著一定的關(guān)系，在進(jìn)行調(diào)整的時(shí)候需要整體權(quán)衡。比如說層的厚度越小，表面質(zhì)量越高，但同時(shí)所需要的加工時(shí)間會(huì)增加，加工成本也隨之上升。3D打印金屬零件的表面質(zhì)量也與零件表面的建構(gòu)方向有關(guān)。一般來說，頂面會(huì)更光滑。當(dāng)零件與基板之間的角度變大時(shí)，表面會(huì)變得更加粗糙。

4.考慮后處理

當(dāng)前的3D打印零件確實(shí)存在著一些先天不足，但部分先天不足可以通過一些后處理工藝來后天補(bǔ)足。以目前在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用較多的粉末床金屬熔融3D打印技術(shù)來說，為了使金屬3D打印零件達(dá)到所要求的力學(xué)性能以及表面質(zhì)量，在打印完成后往往需要配合使用熱等靜壓、熱處理、機(jī)械加工、磨削等后處理工藝。

這些后處理工藝將對3D打印零件尺寸產(chǎn)生一定改變，所以在設(shè)計(jì)一個(gè)3D打印產(chǎn)品的初期就應(yīng)該將需要使用的后處理工藝考慮進(jìn)去，以便在設(shè)計(jì)中為后處理工藝留出余量，降低零件的廢品率。當(dāng)然，這些設(shè)計(jì)思路對增材制造設(shè)計(jì)師提出了挑戰(zhàn)，唯有設(shè)計(jì)師對將要應(yīng)用的3D打印工藝充分了解，才能夠在設(shè)計(jì)初期全盤考慮3D打印和后處理對于設(shè)計(jì)的影響。

比如說，如果一個(gè)金屬3D打印零件需要通過機(jī)械加工提高表面光潔程度，那么設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)零件時(shí)就需要考慮材料的去除量，并在設(shè)計(jì)時(shí)補(bǔ)償，如果在機(jī)械加工中需要去除0.05cm的厚度，在設(shè)計(jì)的時(shí)候就需要增加0.05cm，以便后處理后零件符合要求的尺寸公差。當(dāng)試圖進(jìn)行表面后處理時(shí)，設(shè)計(jì)師還必須考慮過程本身的物理特性，比如說零件棱角位置材料會(huì)更容易去除，所以在設(shè)計(jì)時(shí)需要在這些位置加大輪廓度公差。除了外部表面光潔，零件的內(nèi)腔往往需要一定的暢通性，設(shè)計(jì)師應(yīng)考慮這些材料的去除率和補(bǔ)償。

在進(jìn)行增材制造設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)師需要考慮兩種類型的CAD模型：一種是最終的幾何形狀，包括基準(zhǔn)的確定、加工尺寸公差要求、表面粗糙度要求等；另一個(gè)同樣重要的CAD模型是供3D打印設(shè)備識(shí)別加工的模型，這個(gè)模型中可補(bǔ)孔，可增加支撐結(jié)構(gòu)，也可以增加加工余量。

通過不同的3D打印工藝加工出來的零件，后處理的思路也不盡相同，這些后處理工藝將反過來影響到設(shè)計(jì)方案。例如，如果用于制造零件的設(shè)備為基于粉末床工藝的電子束熔融（Electron Beam Melting,EBM）3D打印設(shè)備，不需要考慮到金屬零件與打印基板分離的問題，但需要考慮去除金屬粉末和粉末清除處理對設(shè)計(jì)的影響。如果用于制造零件的設(shè)備為選區(qū)激光熔融3D打印設(shè)備，則需要考慮將零件與打印基板分離切割的問題和消除殘余應(yīng)力的問題。有關(guān)后處理工藝對設(shè)計(jì)所產(chǎn)生的影響以及相關(guān)的應(yīng)對策略的細(xì)節(jié)將在后面的“后處理”章節(jié)中進(jìn)行介紹。