第二節(jié) 為增材制造而設(shè)計(jì)的規(guī)則

GE研發(fā)的飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)3D打印燃油噴嘴，將粉末床金屬熔融增材制造技術(shù)推到了3D打印家族的聚光燈下。然而，在現(xiàn)實(shí)操作中，這項(xiàng)技術(shù)頗具挑戰(zhàn)性，甚至可以說(shuō)給研發(fā)團(tuán)隊(duì)帶來(lái)了很多受挫折的體驗(yàn)。挫折來(lái)自于哪里呢?

增材制造技術(shù)為構(gòu)建具有自由形狀和復(fù)雜特征的零件提供了極大的自由度，可直接根據(jù)CAD數(shù)據(jù)制造成品，無(wú)須使用成本高昂的加工工具。然而，這并不是說(shuō)這種靈活性能夠讓設(shè)計(jì)師隨心所欲地設(shè)計(jì)任何想要的形狀，至少在成本的約束下，這樣做也是不現(xiàn)實(shí)的。與任何制造工藝一樣，增材制造技術(shù)也有其本身的工藝特性，如果在設(shè)計(jì)3D打印產(chǎn)品時(shí)沒(méi)有遵循其工藝特性，就難免在增材制造過(guò)程中遭受挫折。

而在設(shè)計(jì)時(shí)遵循增材制造的工藝特性，正是將“為增材制造而設(shè)計(jì)”的思維融入設(shè)計(jì)的過(guò)程，這有助于最大程度地提高加工成功率，并增強(qiáng)增材制造工藝的經(jīng)濟(jì)效益。毋庸置疑，設(shè)計(jì)師要想更具競(jìng)爭(zhēng)力，不僅必須頭腦更加靈活，還應(yīng)對(duì)增材制造工藝有深入的了解。

接下來(lái)我們將通過(guò)英國(guó)增材制造企業(yè)雷尼紹（Renishaw）公司針對(duì)基于粉末床金屬熔融工藝的選區(qū)激光熔融3D打印技術(shù)所總結(jié)的幾點(diǎn)設(shè)計(jì)規(guī)則，來(lái)說(shuō)明增材制造設(shè)計(jì)思維對(duì)于提高3D打印的成功率及生產(chǎn)率，開(kāi)發(fā)高效3D打印零件時(shí)所起的作用。

這些規(guī)則可供有志從事粉末床金屬增材制造領(lǐng)域工作的個(gè)人學(xué)習(xí)者，也可供希望引入選區(qū)激光熔融技術(shù)的制造企業(yè)所借鑒。

1.殘余應(yīng)力

殘余應(yīng)力是快速加熱和冷卻的必然產(chǎn)物，這是選區(qū)激光熔融技術(shù)的固有特性。每一個(gè)新的加工層都是通過(guò)如下方式構(gòu)建的：在粉末床上移動(dòng)激光束，熔融粉末頂層并將其與下方的一個(gè)加工層熔合。當(dāng)激光束離開(kāi)后，熱熔池中的熱量會(huì)傳遞至下方的固體金屬，這樣熔融的金屬就會(huì)冷卻并凝固。這一過(guò)程非常迅速，大約只有幾微秒。新的金屬層在下層金屬的上表面凝固和冷卻時(shí)會(huì)出現(xiàn)收縮現(xiàn)象，但由于受到下方固體結(jié)構(gòu)的限制，其收縮會(huì)導(dǎo)致層與層之間產(chǎn)生切應(yīng)力。

殘余應(yīng)力具有破壞性。當(dāng)設(shè)備在一個(gè)加工層頂部增加另一個(gè)加工層時(shí)，應(yīng)力隨之產(chǎn)生并累積，這可能導(dǎo)致零件變形，其邊緣卷起，之后可能會(huì)脫離支撐。在比較極端的情況下，應(yīng)力可能會(huì)造成組件破壞性開(kāi)裂或加工托盤(pán)變形。這些效應(yīng)在具有較大橫截面的零件中最為明顯，因?yàn)榇祟?lèi)零件往往具有較長(zhǎng)的焊道，而且切應(yīng)力作用的距離更長(zhǎng)。

解決這一問(wèn)題的方法之一是改變掃描策略，選擇一個(gè)最適合零件幾何形狀的方法。當(dāng)使用激光熔融材料時(shí)，通常可以來(lái)回移動(dòng)激光，這一過(guò)程稱為掃描。所選擇的模式會(huì)影響掃描矢量的長(zhǎng)度，因此也會(huì)影響可能在零件上積累的應(yīng)力水平。采用縮短掃描矢量的策略，則會(huì)相應(yīng)減少產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。

迂回掃描模式（也稱為光柵掃描）：完成每層掃描后旋轉(zhuǎn)67°，加工效率較高，殘余應(yīng)力逐漸增加，適合小型、薄壁零件。

條紋掃描模式：殘余應(yīng)力均勻分布，適合大型、具有較厚截面的零件，加工效率高于棋盤(pán)掃描模式。

棋盤(pán)掃描模式：每層分為若干個(gè)5mm×5mm的島狀區(qū)域，完成每層掃描后將整體模式和每個(gè)島狀區(qū)域旋轉(zhuǎn)67°，殘余應(yīng)力均勻分布，適合大型零件。棋盤(pán)掃描可縮短各掃描線的長(zhǎng)度，減少殘余應(yīng)力的累積。

也可以在從一個(gè)加工層移至下一個(gè)加工層時(shí)旋轉(zhuǎn)掃描矢量的方向，這樣一來(lái)，應(yīng)力就不會(huì)全部在同一平面上集中。每層之間通常旋轉(zhuǎn)67°，以避免相近的加工層掃描方向重合。

加熱加工托盤(pán)也是用于減小殘余應(yīng)力的一種方法，而序后熱處理也可減少累積的應(yīng)力。

-對(duì)于殘余應(yīng)力，盡可能通過(guò)設(shè)計(jì)消除；避免大面積不間斷熔融；注意橫截面的變化；混合加工將較厚的底板整合到增材制造零件中；在應(yīng)力可能較高的位置使用較厚的加工托盤(pán)；選擇一種合適的掃描策略。

在任何疊層制造工藝中，加工方向始終限定在Z軸——垂直于加工托盤(pán)方向。請(qǐng)注意，加工方向并非始終都是通用方向。應(yīng)當(dāng)選擇合適的方向，以便使用最少的支撐材料或不使用支撐材料來(lái)生產(chǎn)最穩(wěn)定的工件。

2.懸伸部分和熔融過(guò)程

在粉末床加工工藝中，由于形狀是一層層構(gòu)建起來(lái)的，因此層與層之間的關(guān)聯(lián)方式非常重要。當(dāng)每一層熔融時(shí)，它需要下面的一層來(lái)提供物理支撐和散熱路徑。

當(dāng)激光熔融粉末層時(shí)，如果粉末層下方為固體金屬，則熱量會(huì)從熔池傳遞至下方結(jié)構(gòu)，這會(huì)再次熔融部分固體金屬并形成牢固的連接。隨著激光移開(kāi)，熔池也將快速凝固，因?yàn)闊崃恳驯挥行鬟f出去。

如果零件具有懸伸部分，那么熔池下方區(qū)域至少有一部分會(huì)是未熔粉末。這些粉末的導(dǎo)熱性遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于固體金屬，因此來(lái)自熔池的熱量會(huì)導(dǎo)出更慢，導(dǎo)致周?chē)喾勰Y(jié)。結(jié)果可能是多余材料附著在懸伸區(qū)域的底面，這意味著懸伸結(jié)構(gòu)可能呈現(xiàn)出畸形和粗糙的表面。

3.擺放方向選擇

一般來(lái)說(shuō)，與加工托盤(pán)形成的角度小于45°的懸伸結(jié)構(gòu)需要支撐。懸伸表面稱為下表層。它們通常會(huì)呈現(xiàn)出比垂直壁面和朝上表面更粗糙的表面。這種結(jié)果是熔池冷卻速度減慢而導(dǎo)致懸伸結(jié)構(gòu)下方的粉末局部燒結(jié)所致。

擺放方向的選擇將大大影響支撐材料用量以及所需的后處理工作量。通常能夠在多個(gè)方向上完成一個(gè)零件的加工，但應(yīng)選擇可實(shí)現(xiàn)最理想的零件自身支撐的擺放方向，以便盡可能降低加工成本并減少后期處理工作。

4.局部最低點(diǎn)

局部最低點(diǎn)是零件上未與下方粉末熔融層連接的任何區(qū)域。這些區(qū)域在加工過(guò)程中需要添加支撐來(lái)固定。如果在下方?jīng)]有支撐結(jié)構(gòu)的情況下開(kāi)始加工，當(dāng)刮刀處理下一層時(shí)可能會(huì)造成第一個(gè)加工層發(fā)生位移，導(dǎo)致加工失敗。

圖1-1所示為零件的局部最低點(diǎn)，其局部最低點(diǎn)可能會(huì)非常明顯，但也可能出現(xiàn)在與零件邊緣相交的橫孔或斜孔的頂部，比如說(shuō)圖1-1中三個(gè)孔的頂部即為局部最低點(diǎn)。

5.特征擺放方向

如前所述，下表層的表面質(zhì)量一般較差。如果要生產(chǎn)的工件具有精度要求較高的細(xì)節(jié)特征，那么最好將這些特征定位在零件的頂面，也就是上表層。

另一個(gè)要考慮的問(wèn)題是零件相對(duì)于加粉刮刀的擺放方向。圖1-2所示為加粉刮刀和零件斜邊的相互作用，從圖中可以看到刮刀在移動(dòng)過(guò)程中對(duì)零件的影響。當(dāng)添加一層新的粉末時(shí)，刮刀會(huì)在粉末床上鋪開(kāi)粉末，粉末逐漸被刮刀擠壓以形成新的密集層。當(dāng)材料被擠壓時(shí)會(huì)在粉末床上形成壓力波，該壓力波會(huì)與朝向刮刀方向傾斜的零件表面相互作用，向下擠壓粉末并向上擠壓零件的前邊緣。這可能會(huì)使零件鉤到刮刀上，導(dǎo)致加工失敗。請(qǐng)注意，柔性刮刀可以降低這種影響。

因此，支撐和斜邊的擺放應(yīng)盡可能遠(yuǎn)離刮刀方向。通過(guò)旋轉(zhuǎn)零件，壓力波能夠以傾斜的角度沖擊零件，從而降低零件變形的可能性。如果無(wú)法通過(guò)旋轉(zhuǎn)調(diào)整位置，或零件是旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的，則可能需要添加支撐，而受影響的加工面可能需要進(jìn)行后期處理。

-考慮工件的擺放方向時(shí)應(yīng)注意：設(shè)計(jì)師應(yīng)盡量創(chuàng)建自身支撐設(shè)計(jì)；加工成功是首要考量；殘余應(yīng)力和表面粗糙度也是受擺放方向影響的重要因素；擺放方向可影響加工時(shí)間和成本；具有復(fù)雜幾何形狀的零件可能不太容易擺放，通常需要在表面質(zhì)量、細(xì)節(jié)、加工時(shí)間、成本和支撐結(jié)構(gòu)之間權(quán)衡取舍；設(shè)計(jì)師必須評(píng)估沖突因素以確定擺放方向。

6.支撐

簡(jiǎn)單依賴支撐來(lái)克服擺放方向問(wèn)題不是好的辦法。雖然3D打印的用戶可能會(huì)容忍在制造原型零件時(shí)付出額外的加工時(shí)間和后期處理成本，但是此類(lèi)浪費(fèi)在批量生產(chǎn)增材制造零件時(shí)則是難以接受的。過(guò)度依賴支撐表明這個(gè)零件的幾何形狀“不夠穩(wěn)固”，這對(duì)成品率會(huì)有影響。

盡管可以通過(guò)設(shè)計(jì)來(lái)盡可能減少支撐，但有時(shí)也不可能將其完全消除。因?yàn)橹斡腥笾饕δ埽?/p>

隔離材料——支撐可用于固定未與前一層相連的材料（即與加工托盤(pán)形成的角度小于45°的懸伸結(jié)構(gòu)，或局部最低點(diǎn)特征）。最好將支撐結(jié)構(gòu)集成到組件設(shè)計(jì)中。

殘余應(yīng)力——原則上應(yīng)通過(guò)設(shè)計(jì)來(lái)減小加工過(guò)程中的殘余應(yīng)力，避免尖銳邊緣，并避免大面積加工區(qū)域直接附著在加工托盤(pán)上。如果這點(diǎn)無(wú)法實(shí)現(xiàn)，那么可以應(yīng)用支撐來(lái)消除零件中的應(yīng)力，防止材料從加工托盤(pán)上脫落。這一方法不推薦用于批量生產(chǎn)加工件。

散熱通道——未熔粉末是一種絕熱體。支撐會(huì)從下表層區(qū)域傳走一些熱量，這有助于避免粉末燃燒、過(guò)度熔融、變形和變色，對(duì)于正對(duì)刮刀方向的下表層，其效果尤為顯著。

支撐結(jié)構(gòu)分為主要支撐和輔助支撐。主要支撐指的是那些在CAD環(huán)境中隨組件一起開(kāi)發(fā)的支撐，它是一次性結(jié)構(gòu)，當(dāng)加工完成時(shí)將被移除。主要支撐的特點(diǎn)是堅(jiān)固，可控性更好。可以將它們導(dǎo)入到加工文件處理軟件中（以STL格式），或與零件的主體一起設(shè)計(jì)。還可以使用完整的修訂控制功能將它們以參數(shù)的形式導(dǎo)出。也可以執(zhí)行有限元應(yīng)力分析。此外，可以通過(guò)設(shè)計(jì)和模擬主要支撐，使其以可控方式傳遞熱量。

輔助支撐是那些在加工文件處理軟件中生成的支撐。在加工文件處理軟件中創(chuàng)建的輔助支撐也可通過(guò)參數(shù)進(jìn)行管理，但缺乏可追溯性和可重復(fù)性。如果更改零件設(shè)計(jì)，它們可能需要重建。

混合使用兩種支撐，充分利用CAD設(shè)計(jì)和加工文件處理軟件的優(yōu)勢(shì)來(lái)實(shí)現(xiàn)最佳方案。

在以下幾種典型情況下，需要為增材制造零件添加支撐結(jié)構(gòu)。

0.3~1mm的水平懸伸結(jié)構(gòu)可采用自身支撐，但是不建議這樣做。而超過(guò)1mm的懸伸結(jié)構(gòu)則必須要重新設(shè)計(jì)或?yàn)槠涮砑又巍？稍诮M件中添加圓角和倒角以消除懸伸結(jié)構(gòu)。零件側(cè)面露出的橫向孔可能也需要支撐。在大多數(shù)選區(qū)激光熔融設(shè)備上可加工出的孔的最小尺寸為0.4mm。

加工直徑大于10mm的孔洞和管道，則要求在其中心添加支撐。

但值得注意的是，孔洞和管道內(nèi)的支撐很難移除，并且可能需要后續(xù)加工。如果支撐太小，也會(huì)給移除帶來(lái)難度。如果零件的幾何形狀比支撐更加脆弱，則在后期處理過(guò)程中零件損壞的風(fēng)險(xiǎn)較高。直徑小于10mm的孔洞可在不添加支撐的情況下加工，但它們的下表層表面可能會(huì)出現(xiàn)一些變形，這是由于懸伸部分上方的熔池冷卻速度減慢所致，水平孔的圓度誤差很可能超出設(shè)計(jì)要求。

因此，更可行的設(shè)計(jì)方式是，將孔洞或管道設(shè)計(jì)成為能夠自身支撐的形狀，例如淚滴形或菱形孔。這兩種輪廓都可用作流體通道，并可提供相似的液壓性能，但是菱形孔能夠更好地抵抗流體壓力。

如果零件中要求必須有高精度的圓孔，那么需要在打印完成后進(jìn)行后期加工。但通常，在實(shí)心結(jié)構(gòu)上直接進(jìn)行圓孔的鉆孔加工可能是最合理的方式。

-有關(guān)支撐的建議：將10mm以上的孔改造成自身支撐的菱形孔；使用倒角以避免較高支撐；移除相對(duì)加工托盤(pán)的懸伸角度小于45°的區(qū)域；旋轉(zhuǎn)下表層使其遠(yuǎn)離刮刀方向；在增材制造加工完成后再加工小型特征；直接緊貼加工托盤(pán)完成零件加工，同時(shí)留有額外的加工余量；移除水平下表層區(qū)域。

7.3D打印在優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

拓?fù)鋬?yōu)化和創(chuàng)成式設(shè)計(jì)被越來(lái)越多地用于機(jī)械零件設(shè)計(jì)中，拓?fù)鋬?yōu)化的主要目的是在移除多余材料的同時(shí)保持結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度。經(jīng)過(guò)優(yōu)化的零件通常呈具有復(fù)雜而輕量化的結(jié)構(gòu)，而增材制造技術(shù)生產(chǎn)復(fù)雜形狀零件的能力使之成為實(shí)現(xiàn)此類(lèi)設(shè)計(jì)的最佳方式。

需要注意的是，經(jīng)過(guò)優(yōu)化的零件可能未必適合采用增材制造方式加工，尤其是就加工零件擺放方向而言，遇到這些情況需要對(duì)設(shè)計(jì)做出調(diào)整。比如說(shuō)，以水平擺放方向加工某個(gè)拓?fù)鋬?yōu)化零件時(shí)，在懸伸區(qū)域內(nèi)需要添加很多支撐，而沿垂直方向重新擺放零件后，需要添加支撐的區(qū)域?qū)⒆兩伲珜?duì)于零件中圓孔等細(xì)節(jié)將需要添加支撐或重新設(shè)計(jì)，并且需要注意優(yōu)化的支撐桿與圓角的交角。

如果在設(shè)計(jì)階段重新評(píng)估零件時(shí)已將擺放方向考慮在內(nèi)，那么零件在進(jìn)行增材制造加工時(shí)就只有一個(gè)擺放方向。接下來(lái)針對(duì)后期加工重新設(shè)計(jì)橫向孔等細(xì)節(jié)。圖1-3 所示為一個(gè)橫向加工優(yōu)化案例，零件的擺放方向?yàn)榇怪狈较颍O(shè)計(jì)師為實(shí)現(xiàn)成功的打印對(duì)其中的橫向孔進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)。

設(shè)計(jì)師可能需要結(jié)合各種優(yōu)化技巧（如拓?fù)鋬?yōu)化、空心零件、胞元結(jié)構(gòu)）以實(shí)現(xiàn)高效的設(shè)計(jì)。零件擺放方向應(yīng)該是繼適用性、形狀及功能之后的又一個(gè)關(guān)鍵的設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)因素。

-關(guān)于優(yōu)化設(shè)計(jì)的建議：應(yīng)用最小壁厚準(zhǔn)則；確定用于加工的臨界表面；考慮支撐定位和移除或重新設(shè)計(jì)以便省去支撐；設(shè)計(jì)時(shí)考慮零件擺放方向并相應(yīng)修改細(xì)節(jié)；確定是否可達(dá)到要求的表面粗糙度。

總體來(lái)說(shuō)，除了設(shè)計(jì)、尺寸、速度、價(jià)格等因素外，選區(qū)激光熔融3D打印技術(shù)還沒(méi)有成為主流制造技術(shù)的一大限制因素就是能否制造出合格的零件對(duì)人員的經(jīng)驗(yàn)依賴度高，而摸索這些經(jīng)驗(yàn)的過(guò)程令人感到折磨，而且經(jīng)驗(yàn)是難以復(fù)制的，這極大地限制了3D打印技術(shù)的廣泛使用。

工業(yè)3D打印的下一步是通過(guò)科學(xué)方法來(lái)替代以經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)的探索。或許再過(guò)若干年，上述的設(shè)計(jì)規(guī)則已經(jīng)直接融入到硬件和軟件的智能化解決方案中，操作者不再需要為如何突破這些限制而上下求索。不過(guò)，在當(dāng)前，要駕馭粉末床金屬熔融工藝，了解設(shè)計(jì)規(guī)則還是一個(gè)必備的過(guò)程。