DfAM為增材制造設(shè)計(jì)一個(gè)閉環(huán)的高效可追溯的工作流程

在工作中設(shè)計(jì)工程師會(huì)遇到很多挑戰(zhàn)，存在的痛點(diǎn)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)合起來設(shè)計(jì)等。尤其是針對3D打印的技術(shù)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)工程師需要突破自身思維的束縛。DfAM（Design for additive manufacturing)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。

從DfAM理念到智能化設(shè)計(jì)軟件
近年來，諸如歐特克的Within軟件以及Altair solidThinking為設(shè)計(jì)師提供了便捷的為增材制造而設(shè)計(jì)的工具。培養(yǎng)增材制造(DfAM)理念需要相關(guān)的深化軟件，包括歐特克netfabb和Materialise 3-matic和Magics軟件包，這些軟件具有支持文件編輯、切片、以及點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和拓?fù)鋬?yōu)化零件的變形模擬等功能。

這些軟件將設(shè)計(jì)與3D打印有效的結(jié)合起來。而對于復(fù)雜的工程來說，還需要更大的端到終端的解決方案。例如，西門子的PLM增材制造產(chǎn)品生命周期管理系統(tǒng)和達(dá)索的3DExperience平臺(tái)，這些都進(jìn)一步將DfAM的理念進(jìn)一步演繹到更系統(tǒng)化的范疇內(nèi)。

圖：用最少的支撐材料進(jìn)行3D打印的拓?fù)鋬?yōu)化的開瓶器

在這方面，DfAM的思路可以圍繞著以下幾個(gè)方面展開。
1. 設(shè)計(jì)：以最少的材料滿足性能要求
這是DfAM設(shè)計(jì)理念的特別之處，使用諸如拓?fù)鋬?yōu)化和點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)之類的工具來制造更輕更高效的產(chǎn)品。在這方面，例如通過solidThinking整合拓?fù)鋬?yōu)化與網(wǎng)格結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使得設(shè)計(jì)師可以輕松地通過拓?fù)鋬?yōu)化找到材料布局，再考慮更多的設(shè)計(jì)要求，包括應(yīng)力、屈服強(qiáng)度等通過晶格進(jìn)行更精細(xì)程度的材料分配，達(dá)到設(shè)計(jì)的最優(yōu)化。

2. 設(shè)計(jì)：3D打印的一體化結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)
即用最少的部件配置滿足最多的技術(shù)性能需求，及其帶來的附加值。將包含許多較小零件的組件轉(zhuǎn)換為單一的、集成的、高度自定義的形狀。省去了組裝過程，也省去了許多零件（多個(gè)螺釘、螺栓、螺母、墊圈等）的庫存，不僅降低了成本還避免了潛在的組裝錯(cuò)誤，以及后期由于螺栓連接或焊接所帶來的維護(hù)要求。

3. 設(shè)計(jì)：（或修改一個(gè)現(xiàn)有的設(shè)計(jì)）以最少的材料符合制造工藝的要求
這里面涉及到支撐材料的設(shè)計(jì)問題，在增材制造工藝中，這些支撐材料一方面帶來了浪費(fèi)，并且還增加了去除支撐材料的工作量，另一方面支撐材料卻可以幫助打印過程順利完成，并且可能緩解相當(dāng)大的殘余應(yīng)力。所以在最少的材料與支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)之間，存在著一個(gè)微妙的平衡，而這個(gè)平衡點(diǎn)的把握則需要與增材制造的特點(diǎn)相結(jié)合。3D科學(xué)谷延伸閱讀：優(yōu)化設(shè)計(jì)以避免支撐材料

4. 設(shè)計(jì)：改進(jìn)功能的設(shè)計(jì)
例如隨形冷卻模具，3D打印技術(shù)使冷卻水路的制造避免了交叉鉆孔的限制，3D打印的隨形冷卻水路還可以根據(jù)冷卻要求進(jìn)行不同的冷卻回路設(shè)計(jì)，從而以一致的速度進(jìn)行散熱，以促進(jìn)散熱的均勻性。

再例如熱交換器的設(shè)計(jì)，例如英國的HiETA正在改進(jìn)的熱交換產(chǎn)品是由很薄的材料焊接制成的。復(fù)雜的設(shè)計(jì)使生產(chǎn)既麻煩又耗時(shí)，而冗余的焊料則增加了部件的整體重量。又復(fù)雜、又重、又費(fèi)時(shí)費(fèi)力。3D打印的熱交換器提升散熱效率，而且與常規(guī)生產(chǎn)的部件相比，其重量與所占空間均降低30%左右。

5. 設(shè)計(jì)：優(yōu)化材料類型的設(shè)計(jì)
一方面3D打印可以加工在傳統(tǒng)上是困難的、難加工材料，以獲得更好的材料特性如熱傳導(dǎo)性、延展性以及強(qiáng)度。在這方面，拿西門子投資的Materials Solutions來說，Materials Solutions在不斷的實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，選擇性激光熔化工藝在制造復(fù)雜零件方面的能力獨(dú)具優(yōu)勢。特別是在疲勞載荷的應(yīng)用程序，成本比傳統(tǒng)的加工方式低。通過Materials Solutions嚴(yán)格控制關(guān)鍵過程的變量和廣泛的工藝窗口，產(chǎn)生了可重復(fù)的生產(chǎn)過程，帶來非常穩(wěn)定的材料性能和零件的幾何形狀。

另一方面，3D打印還可以用于多種合金的加工。一個(gè)零件的一側(cè)要具備耐高溫特性，而另一側(cè)要具備低密度特性；或只能在一側(cè)具有磁性。制造這樣的零部件此前只能采用焊接的方法，先分別制造出不同的部件，然后再將它們焊接起來。但焊縫天然具有缺陷，容易脆化，在高強(qiáng)度壓力下極易導(dǎo)致零件崩潰。3D打印的多種合金材料則可以解決傳統(tǒng)加工技術(shù)難以解決的問題。2015年，美國國家航空航天局（NASA）噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家還開發(fā)出一種新的3D打印技術(shù)，可在一個(gè)部件上混合打印多種金屬或合金。3D科學(xué)谷延伸閱讀：替代釬焊，NASA成功測試兩種合金制成的3D打印火箭發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火器

6. 設(shè)計(jì)：優(yōu)化構(gòu)建方向以減少支撐結(jié)構(gòu)的需要
由于許多三維打印部件需要支撐結(jié)構(gòu)，尤其是在粉末床金屬熔化的生產(chǎn)過程中，支撐結(jié)構(gòu)的構(gòu)建是必要的，有幾個(gè)原因：一個(gè)是支撐結(jié)構(gòu)加強(qiáng)和支持零件與構(gòu)建平臺(tái)的穩(wěn)定性；其二是支撐結(jié)構(gòu)帶走零件構(gòu)建過程中多余的熱量；其三是支撐結(jié)構(gòu)可以防止零件翹曲以及減少零件構(gòu)建過程中的失敗幾率。去除支撐結(jié)構(gòu)在后期處理中可能占總成本的70％，這就需要認(rèn)真考慮零件的構(gòu)建方向，以最大限度地減少對支撐結(jié)構(gòu)的需求。3D科學(xué)谷延伸閱讀：3D打印需要注意的支撐結(jié)構(gòu)與應(yīng)力

當(dāng)然這個(gè)過程可以更加智能化，其中Renishaw的新型量子準(zhǔn)備軟件-QuantAM可以通過軟件可視化哪些區(qū)域需要支撐結(jié)構(gòu)，并能協(xié)助支持部署支撐結(jié)構(gòu)。

7. 設(shè)計(jì)：高效可追溯的工作流程
從預(yù)處理（加工參數(shù)設(shè)置等）到過程監(jiān)控（熔池監(jiān)控等），再到后處理（熱處理、精加工、支撐結(jié)構(gòu)去除、表面處理等），需要以數(shù)據(jù)的方式來記錄和評估增材制造生產(chǎn)的零部件所涉及的所有任務(wù)。這些記錄下來的數(shù)據(jù)用于以后的質(zhì)量分析或?qū)崟r(shí)控制軟件開發(fā)，并且可以用于持續(xù)的過程改進(jìn)和支持相關(guān)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的出臺(tái)。

只有形成一個(gè)閉環(huán)的高效可追溯的工作流程，對DfAM的理解才更加深入，并且更加智能化。

來源：3D科學(xué)谷
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