金屬3D打印-增材制造設計指南

粉末床熔融金屬3D打印技術為構建具有自由形狀和復雜特征的零件提供了極大的自由度，可直接根據CAD數據制造成品，無需使用成本高昂的加工工具。若以傳統方式來制造這些設計復雜的零件，則顯得非常不切實際，甚至根本不可能完成。增材制造技術制造的零件往往更輕、更高效且能夠更好地發(fā)揮工作性能。然而，這并不是說這種靈活性能夠讓我們隨心所欲地設計任何想要的形狀，至少在成本的約束下，我們也不可能做到這一點。

在這方面，金屬3D打印專家英國雷尼紹總結了一系列的增材制造設計指南。與任何制造工藝一樣，增材制造技術也有自己的優(yōu)勢和局限性。例如，對于采用激光粉末床熔融技術制作的零件，如果設計有懸伸部分 — 也就是具有要在未熔粉末的頂部進行熔融加工的位置 — 則可能需要設計一次性支撐才能順利完成加工。這些支撐會增加加工時間、消耗更多材料，而且還需要額外的后處理來進行移除。

功能經過優(yōu)化的零件
圖片中零件功能雖經優(yōu)化但并不是為用于增材制造 (AM) 而設計的零件可能需要大量支撐，導致它們的制造效率偏低。

來源雷尼紹

因此，如果我們打算采用增材制造技術生產性能優(yōu)異的零件，同時又要兼顧經濟和實用性，那么增材制造設計 (DfAM) 就變得尤為重要。下面我們開始介紹能夠提高增材制造加工的成功率及生產效率的諸多關鍵因素，并解釋了設計師在開發(fā)高效的生產零件時應遵循的一些重要指導原則。

因素：殘留應力
殘留應力是快速加熱和冷卻的必然產物，這是激光粉末床熔化工藝的固有特性。每一個新的加工層都是通過如下方式構建的：在粉末床上移動聚焦激光，熔化粉末頂層并將其與下方的一個加工層熔合。熱熔池中的熱量會傳遞至下方的固體金屬，這樣熔融的金屬就會冷卻并凝固。這一過程非常迅速，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會出現收縮現象，但由于受到下方固體結構的限制，其收縮會導致層與層之間形成剪切力。

圖 ： 激光在固體基體的頂部熔融金屬形成新的焊道（左）。激光沿著掃描矢量移動并熔融粉末，隨后通過將熱量傳遞至下方的固體金屬，熔融后的粉末開始冷卻。凝固后，冷卻金屬收縮，該金屬層與下一層之間就會形成剪切力（右）。來源雷尼紹

殘留應力具有破壞性。當我們在一個加工層頂部增加另一個加工層時，應力隨之形成并累積，這可能導致零件變形，其邊緣卷起，之后可能會脫離支撐：

來源雷尼紹

在比較極端的情況下，應力可能會超出零件的強度，造成組件破壞性開裂或加工托盤變形：

來源雷尼紹

這些效應在具有較大橫截面的零件中最為明顯，因為此類零件往往具有較長的焊道，而且剪切力作用的距離更長。

盡可能減小殘留應力
解決這一問題的手段之一是改變我們的掃描策略，選擇一個最適合零件幾何形狀的方法。當我們用激光軌跡填充零件中心時，通常會來回移動激光，這一過程稱之為“掃描”。我們所選擇的模式會影響掃描矢量的長度，因此也會影響可能在零件上積累的應力水平。采用縮短掃描矢量的策略，則會相應減少產生的殘留應力：

迂回掃描模式
- 完成每層掃描后旋轉67°
- 加工效率較高
- 殘留應力逐漸增加
- 適合小、薄特征

條紋掃描模式
- 殘留應力均勻分布
- 適合大型零件
- 加工效率高于棋盤掃描模式

棋盤掃描模式
- 每層分為若干個5x5 mm的島狀區(qū)域
完成每層掃描后將整體模式和每個島狀區(qū)域旋轉67°
殘留應力均勻分布
適合大型零件

圖 ：掃描策略與適合它們的不同零件類型。兩種最常見的掃描策略分別是用于薄壁零件的“迂回”掃描（也稱為光柵掃描），及用于具有較厚截面的零件的“條紋”掃描�！捌灞P”或“島狀”掃描策略也同樣有效。條紋和棋盤掃描可縮短各掃描線的長度，減少殘留應力的累積。來源雷尼紹

我們也可以在從一個加工層移至下一個加工層時旋轉掃描矢量的方向，這樣一來，應力就不會全部在同一平面上集中。每層之間通常旋轉67度，以確保在加工完許多層后掃描方向才會完全重復。加熱加工托盤也是用于減少殘留應力的一種方法，而序后熱處理也可減少累積的應力。

“ 殘留應力設計建議”
- 盡可能通過設計消除殘留應力
- 避免大面積不間斷熔化
- 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
- 在應力可能較高的位置使用較厚的加工托盤
- 選擇一種合適的掃描策略

因素：方向
在任何疊層制造工藝中，加工方向始終限定在Z軸 — 即垂直于加工托盤。請注意，加工方向并非始終都是通用方向。應當選擇合適的方向，以便使用最少的支撐材料或不使用支撐材料來生產最穩(wěn)定的加工件。

懸伸部分和熔融過程
在粉末床加工工藝中，由于形狀是一層層構建起來的，因此層與層之間的關聯方式非常重要。當每一層熔化時，它需要下面的一層來提供物理支撐和散熱路徑。

當激光熔化粉末層時，如果粉末層下方為固體金屬，則熱量會從熔池傳遞至下方結構，這會再次熔化部分固體金屬并形成牢固的焊接。隨著激光源移開，熔池也將快速凝固，因為熱量已被有效傳遞出去。

如果零件具有懸伸部分，那么熔池下方區(qū)域至少有一部分會是未熔粉末。這些粉末的導熱性遠遠低于固體金屬，因此來自熔池的熱量會保留更長時間，導致周圍更多粉末燒結。結果可能是，多余材料附著在懸伸區(qū)域的底面，這意味著懸伸結構可能呈現出畸形和粗糙的表面。

圖：在固體金屬上方熔化粉末能夠快速冷卻（左）。當粉末熔化過程發(fā)生在懸伸區(qū)域時，由于其下方是未熔粉末，因此需要更長時間冷卻，而多余的材料可能會附著在零件的底面。來源雷尼紹

擺放方向選擇
一般來說，與加工托盤形成的角度小于45度的懸伸結構需要支撐。懸伸表面被稱為下表層。它們通常會呈現出比垂直壁面和朝上表面更粗糙的表面。這種效果是熔池冷卻速度減慢導致懸伸結構下方的粉末局部燒結所致。

通常能夠在多個方向上完成一個零件的加工。我們應選擇可實現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。

圖：一個零件通�？裳囟鄠�方向完成加工，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。從左起：

- 大懸臂，需要大量的支撐材料（顯示為藍色）
- 修改設計，添加額外的錐形以減少支撐，結果可導致零件質量增加，可能需要后處理加工 / 線切割加工
- 傾斜45度 — 除了一個局部最低點外，大部分采用零件自身支撐（詳情請參見下文）。下表層和上表層將呈現出不同的表面粗糙度
- 倒置，底面采用短支撐 — 加工時間縮短，但后期需要對支撐面進行精加工
緊密附著在粉末床上，留出適合電火花 (EDM) 移除的毛坯余量 — 殘留應力可能是個問題
- 與前一種方式相似，但附著區(qū)域較少，減少了應力累積 — 從制造角度來看，這可能是最高效的設計
- 最后一種方法（未顯示）是將零件平放在托盤上。這可以降低加工高度，但也會限制可在加工托盤上擺放的零件數量，并且容易形成更大的殘留應力。來源雷尼紹

最好是在零件設計過程的前期便使用加工文件處理軟件評估各個擺放方向，以確定最有效的方式。一旦做好決定，便可以在此基礎上繼續(xù)進行詳細設計。

局部最低點
局部最低點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)域在加工過程中需要添加支撐來固定。如果在下方沒有支撐結構的情況下開始加工，當刮刀處理下一層時可能會造成第一個加工層發(fā)生位移，導致加工失敗。

來源雷尼紹

局部最低點可能會非常明顯，如上例所示。它們也可能出現在與零件邊緣相交的橫孔和斜孔的頂部（如下例所示）。

來源雷尼紹

特征擺放方向
如前所述，下表層的表面光潔度一般較差。如果我們要生產具有最佳精度的細節(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。嵌入下表層的細節(jié)特征很有可能會損失精度。

另一個要考慮的問題是零件相對于加粉刮刀的擺放方向。當添加一層新的粉末時，刮刀會在粉末床上鋪開粉末，粉末逐漸被刮刀擠壓以形成新的密集層。當材料被擠壓時會在粉末床上形成壓力波。該壓力波會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。這可能會使零件鉤到刮刀上，導致加工失敗。請注意，柔性刮刀可以降低這種影響。

圖 ：加粉刮刀和零件斜邊的相互作用。來源雷尼紹

金屬增材制造設計 — 入門指南 — 旋轉調整位置
支撐和斜邊的擺放應盡可能遠離刮刀方向。通過旋轉零件，壓力波現在能夠以傾斜的角度沖擊零件，因此降低了零件變形的可能性。

如果無法通過旋轉調整位置，或零件是旋轉對稱的，則可能需要添加支撐，而受影響的加工面可能需要進行后期處理。
“ 擺放設計建議”
- 設計用于增材制造的零件的加工擺放方向應明顯
- 設計師應盡量創(chuàng)建自身支撐設計
- 加工成功是首要考量
- 殘留應力和表面光潔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間和成本
- 具有復雜幾何形狀的零件可能不太容易擺放 — 通常需要在表面質量、細節(jié)、加工時間/成本和支撐結構之間權衡取舍
- 設計師必須評估沖突因素以確定擺放方向

因素：支撐
正如我們之前討論的，依賴支撐來克服擺放方向問題不是一種好的工程設計實踐。雖然我們可能會容忍在制造原型零件時付出額外的加工時間和后期處理成本，但是此類浪費在批量生產增材制造零件時則是難以接受的。過度依賴支撐表明這個零件的幾何形狀“不夠穩(wěn)固”，這對成品率有潛在影響。

支撐目的
盡管我們可以通過設計來盡可能減少支撐，但有時也不可能將其完全消除。支撐有三大主要功能：

來源：雷尼紹

隔離材料 — 支撐可用于“固定”未與前一層相連的材料（即與加工托盤形成的角度小于45°的懸伸結構，或局部最低點特征）。最好是將支撐結構集成到組件設計中。

殘留應力 — 我們應通過設計來減小加工過程中的殘留應力，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上。如果這點無法實現，那么可以應用支撐來抵消零件中的應力，防止材料從加工托盤上脫落。這一方法不推薦用于批量生產加工件。

散熱通道 — 未熔粉末是一種絕熱體。支撐會從下表層區(qū)域轉移走一些熱量，這有助于避免粉末燃燒、過度熔化、變形和變色；對于正對刮刀方向的下表層，其效果尤為顯著。通過旋轉零件改變其與刮刀的相對朝向，也可減少上述不利影響。

主要支撐和輔助支撐
主要支撐指的是那些在CAD環(huán)境中隨組件一起開發(fā)的支撐，它是一次性結構，當加工完成時將被移除。輔助支撐是那些在加工文件處理軟件中生成的支撐。

來源：雷尼紹

主要支撐的特點是堅固，可控性更好�？梢詫⑺鼈儗�入到加工文件處理軟件中（以STL形式），或與零件的主體一起設計。還可以使用完整的修訂控制功能將它們以參數的形式導出。也可以執(zhí)行有限元應力分析。此外，我們可以設計和模擬主要支撐，讓其以可控方式傳遞熱量。

在加工文件處理軟件中創(chuàng)建的輔助支撐也可通過參數進行管理，但缺乏可追溯性和可重復性。如果更改零件設計，它們可能需要重建。

來源：雷尼紹

混合支撐設計充分利用CAD設計和加工文件處理軟件的優(yōu)勢來實現最佳方案。

圓角和倒角
雖然0.3 – 1 mm的水平懸伸結構可采用自身支撐，但是不建議這樣做。而超過1 mm的懸伸結構則必須要重新設計或為其添加支撐�？稍诮M件中添加圓角和倒角以消除懸伸結構（如圖中所示）。

來源：雷尼紹

關于移除支撐的挑戰(zhàn)
孔洞和管道內的支撐很難移除，并且可能需要后續(xù)加工。同樣，支撐太小也會給移除帶來難度。如果零件的幾何形狀比支撐更加脆弱，則在后期處理過程中零件損壞的風險較高。

水平細節(jié) — 添加支撐或重新設計
零件側面露出的橫向孔可能也需要支撐。在大多數激光粉末床機器上可加工出的孔的最小尺寸為0.4 mm。直徑大于10 mm的孔洞和管道將需要在其中心添加支撐，此時應考慮重新設計。直徑介于這兩個尺寸之間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出現一些變形，這是因為懸伸部分上方的熔池冷卻速度減慢所致。

由于水平孔的圓度很可能不會十分理想，因此更可行的方法通常是改變它們的形狀以便它們能夠采用自身支撐。在某些情況下，淚滴形或菱形孔都是可以接受的最終特征。兩種輪廓都可用于流體通道，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。

在其他情況下，如果要求必須有高精度的圓孔，則需要進行后期加工。菱形孔可用作銑削加工的對稱導孔，這點比淚滴形孔更好。在許多情況下，不在增材制造階段加工這些孔，而是在后期處理階段在實心結構上鉆孔，這可能是最合理的方式。

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

因素：優(yōu)化
拓撲優(yōu)化和衍生設計越來越多地用于設計具有更高效率的零件。網狀結構也具有減輕重量的優(yōu)勢。增材制造技術生產復雜形狀零件的能力使之成為實現此類設計的最佳方式。

這些優(yōu)化技巧的主要目的是，在移除多余材料的同時保持結構的強度和剛性。經過優(yōu)化的零件通常呈現出更為復雜、有機的外觀。需要注意的是，功能經過優(yōu)化的零件可能未必適合采用增材制造方式加工 — 尤其就加工零件擺放方向而言。

圖：可明顯看到，以水平擺放方向加工該零件時，那些突出顯示為紅色的懸伸區(qū)域內需要添加很多支撐。來源：雷尼紹

沿垂直方向重新擺放零件后，需要添加支撐的區(qū)域將變少。圓孔等細節(jié)將需要添加支撐或重新設計。還需要注意的是優(yōu)化的支撐桿與圓角半徑的交匯角。

來源：雷尼紹

在設計階段重新評估零件時已將擺放方向考慮在內，因此，很顯然該零件在進行增材制造加工時只有一個擺放方向。現在要針對后期加工重新設計橫向孔等細節(jié)：

來源：雷尼紹

“ 優(yōu)化設計建議”
- 應用最小壁厚準則
- 確定用于加工的臨界表面
- 考慮支撐定位和移除或重新設計以便無需添加支撐
- 設計時考慮零件擺放方向并相應修改細節(jié)
- 確定是否可達到要求的表面光潔度

設計師可能需要結合各種優(yōu)化技巧 — 拓撲優(yōu)化、空心零件、網狀結構（如適用）— 以實現高效的設計。零件擺放方向應該是繼適用性、形狀及功能之后的又一個關鍵的設計驅動因素。

總結
增材制造技術為生產高效、高性能的零件提供了極大的設計自由。但是要想以最低的成本和最少的浪費來批量生產零件，則必須充分考慮增材制造的工藝特性。

將增材制造設計 (DfAM) 思想融入設計過程，這有助于最大程度提高加工成功率，并增強增材制造工藝的經濟效益。毋庸置疑的是，設計師要想更具競爭力，則不僅必須頭腦更加靈活，還應對增材制造工藝有更為深入的了解。

來源：3D科學谷