增材設(shè)計(jì)（DfAM）在3D打印中至關(guān)重要的10個(gè)原因

在增材制造領(lǐng)域，建模設(shè)計(jì)對(duì)于零件的創(chuàng)建有著至關(guān)重要的作用，它也是任何 3D 打印過(guò)程的第一步。DfAM 被定義為增材制造的“可制造性設(shè)計(jì)”，或者更簡(jiǎn)單地定義為可以?xún)?yōu)化使用增材制造創(chuàng)建的零件的設(shè)計(jì)方法和工具，DfAM 允許用戶(hù)利用 3D 打印中存在的設(shè)計(jì)自由度的優(yōu)勢(shì)它是制造功能性、高性能零件的關(guān)鍵。

但是為什么DfAM如此重要？它能給零件帶來(lái)哪些好處？接下來(lái)我們將對(duì)這些問(wèn)題展開(kāi)探討，并列出了DfAM在3D打印中的重要性的10個(gè)原因：

1. 減少 3D 打印錯(cuò)誤

打印失敗是任何3D打印用戶(hù)的都難以接受的結(jié)果。特別是當(dāng)涉及高度工業(yè)化的工藝時(shí)，例如使用激光的LPBF或SLS ，或PEEK 和 PEKK等昂貴的材料，毀壞零件的小錯(cuò)誤確實(shí)會(huì)在成本和時(shí)間方面給用戶(hù)造成損失。這就是DfAM 的體現(xiàn)價(jià)值的地方。通過(guò)設(shè)計(jì)，不僅可以正確定向和支撐模型（這兩者對(duì)于確保各向同性等屬性和確保不會(huì)翹曲都大有幫助），還可以允許用戶(hù)選擇正確的填充和零件的圖層設(shè)置。這反過(guò)來(lái)又顯著減少了打印失敗。

△校正方向是 DfAM 中的考慮因素之一（照片來(lái)源：Protolabs）

2. 更快的打印

速度是增材制造的核心優(yōu)勢(shì)，因?yàn)檫@些技術(shù)使用戶(hù)能夠以傳統(tǒng)制造方法所用時(shí)間的一小部分來(lái)制造零件。然而，這個(gè)速度并不是給定的。通過(guò)使用 DfAM，可以使用晶格結(jié)構(gòu)等來(lái)優(yōu)化設(shè)計(jì)，以保持強(qiáng)度，同時(shí)最大限度地減少需要使用的材料量。它還將允許用戶(hù)最小化支撐結(jié)構(gòu)，減少了打印時(shí)間。

3. 更復(fù)雜的設(shè)計(jì)

在 3D 打印中，當(dāng)設(shè)計(jì)更加復(fù)雜時(shí)，不會(huì)遇到額外的困難。因此，DfAM 允許用戶(hù)創(chuàng)建比使用更傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)規(guī)則創(chuàng)建的幾何形狀復(fù)雜得多的幾何形狀。通過(guò)軟件，可以設(shè)計(jì)并打印幾何形狀更加復(fù)雜的零件，尤其是金屬零件。這種復(fù)雜性正是我們真正看到 3D 打印為用戶(hù)帶來(lái)更大幾何自由度的地方。

4. 優(yōu)化重量性能比

DfAM允許用戶(hù)利用不同的設(shè)計(jì)軟件來(lái)全面優(yōu)化零件。3D 打印在航空航天和汽車(chē)等領(lǐng)域如此受歡迎的原因之一在于它可以制造出更輕的零件，同時(shí)仍保持其強(qiáng)度和其他性能，這意味著優(yōu)越的重量性能比。這尤其可以通過(guò) DfAM 來(lái)完成，例如通過(guò)集成晶格結(jié)構(gòu)或使用零件的拓?fù)鋬?yōu)化和生成設(shè)計(jì)。這些專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)用于優(yōu)化和生成零件，以減少材料，同時(shí)仍滿(mǎn)足強(qiáng)度等特定約束。雖然在傳統(tǒng)制造中，最終的零件可能過(guò)于復(fù)雜而無(wú)法制造，但如上所述，這在 3D 打印中不是問(wèn)題。

△DfAM的使用方法之一是拓?fù)鋬?yōu)化（照片來(lái)源：nTop）

5. 更少的支撐結(jié)構(gòu)

3D打印從業(yè)者很容易將支撐結(jié)構(gòu)視為3D 打印中的“必要之惡”。雖然支撐對(duì)于確保零件在 3D 打印過(guò)程中不會(huì)變形或翹曲絕對(duì)至關(guān)重要，但它們也意味著更多的材料使用（影響成本和時(shí)間），這反過(guò)來(lái)又會(huì)使后處理時(shí)間更長(zhǎng)并影響外觀的部分。這就是 DfAM 可以發(fā)揮作用的地方。通過(guò)仔細(xì)設(shè)計(jì)零件，例如減少懸伸、改進(jìn)方向或正確選擇填充設(shè)置，用戶(hù)在制造零件時(shí)可以減少支撐。

6. 減少后處理

繼續(xù)上一點(diǎn)，DfAM 重要的另一個(gè)重要原因是它將允許用戶(hù)減少整體的后處理流程。當(dāng)然，能夠做到這一點(diǎn)的主要原因之一是通過(guò)優(yōu)化支撐結(jié)構(gòu)，這意味著拆除它們將花費(fèi)更少的時(shí)間，但還有其他考慮因素。例如，通過(guò)正確定位零件或降低層高（這都是 DfAM 中的重要考慮因素），可以在打印開(kāi)始之前就解決表面平滑度等問(wèn)題。如果不考慮這些因素，后期處理通常會(huì)花費(fèi)更長(zhǎng)的時(shí)間，因此轉(zhuǎn)向 DfAM 是有好處的。

7. 零件整合

DfAM 重要的另一個(gè)原因是零件整合。使用增材制造的一個(gè)日益流行的原因，尤其是在航空航天和汽車(chē)等領(lǐng)域，是能夠通過(guò)更復(fù)雜的幾何形狀將多個(gè)零件整合為一個(gè)零件。其中一個(gè)例子是 Czinger 21C 超級(jí)跑車(chē)，制造商 Divergent 3D 聲稱(chēng)它能夠?qū)��?shù)千個(gè)零件整合為幾百個(gè)零件，從而顯著降低了重量并提高了性能。這種類(lèi)型的整合只能通過(guò) 3D 打印實(shí)現(xiàn)，并且可以通過(guò)學(xué)習(xí)和采用 DfAM 規(guī)則來(lái)完成。

8. 提高可擴(kuò)展性和批量生產(chǎn)

誠(chéng)然，DfAM不一定同樣適用于每種3D 打印技術(shù)。由于各種原因，并非所有這些都非常適合大規(guī)模生產(chǎn)或可擴(kuò)展性。然而，對(duì)于 SLS、DMLS、樹(shù)脂 3D 打印和粘合劑噴射等技術(shù)，DfAM 在擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模方面可以發(fā)揮關(guān)鍵作用。通過(guò) DfAM，可以通過(guò)堆疊將最大數(shù)量的零件放置在構(gòu)建體積上。此外，將 DfAM 考慮在內(nèi)可以幫助用戶(hù)克服 3D 打印難以進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)的主要挑戰(zhàn)。

△使用樹(shù)脂3D 打印制成的堆疊式 3D 打印零件（照片來(lái)源：3DSystems）

9. 成本優(yōu)化

復(fù)雜的幾何形狀和更輕的零件是 DfAM 重要的關(guān)鍵原因，但如果成本太高，那么能夠創(chuàng)建它們有什么好處呢？幸運(yùn)的是，DfAM 實(shí)際上已被證明可以降低制造零件的成本。2020 年，Barnes Group 認(rèn)為增材制造零件成本的 86% 是由設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)的，這一點(diǎn)已被一再證明。只有通過(guò)設(shè)計(jì)，您才能減少材料的使用量，同時(shí)繼續(xù)保持強(qiáng)度和其他性能，最終影響零件的成本。此外，重要的是要考慮到更復(fù)雜并不意味著更昂貴。事實(shí)上，通過(guò)改進(jìn)設(shè)計(jì)，情況可能恰恰相反！

10. 基于3D技術(shù)的優(yōu)化

最后但同樣重要的一點(diǎn)是，DfAM 很重要，因?yàn)樗�允許用戶(hù)根據(jù)所使用的特定 3D 打印技術(shù)來(lái)優(yōu)化零件。3D 打印技術(shù)有七個(gè)技術(shù)系列，其中包含更多的工藝，它們之間存在顯著的差異。一個(gè)例子是基于粉末的技術(shù)，其中設(shè)計(jì)可能應(yīng)該集成逃逸孔，以確保零件打印為空心（這在 FDM 或樹(shù)脂 3D 打印中不會(huì)是問(wèn)題）。同時(shí)，在 FDM 3D 打印中，各向異性很常見(jiàn)，因此必要時(shí)考慮 DfAM 可以幫助改善零件的各向同性。