增材制造 (AM) 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蜂澄，可直接根據(jù)CAD數(shù)據(jù)制造成品，無需使用成本高昂的加工工具插撩。若以傳統(tǒng)方式來制造這些設(shè)計(jì)復(fù)雜的零件，則顯得非常不切實(shí)際此腊，甚至根本不可能完成摹院。增材制造技術(shù)制造的零件往往更輕、更高效且能夠更好地發(fā)揮工作性能羊捧。

然而众巷，這并不是說這種靈活性能夠讓我們隨心所欲地設(shè)計(jì)任何想要的形狀，至少在成本的約束下炊豪，我們也不可能做到這一點(diǎn)凌箕。

與任何制造工藝一樣，增材制造技術(shù)也有自己的優(yōu)勢和局限性词渤。例如牵舱，對于采用激光粉末床熔化技術(shù)制作的零件他托，如果設(shè)計(jì)有懸伸部分 — 也就是具有要在未熔粉末的頂部進(jìn)行熔融加工的位置 — 則可能需要設(shè)計(jì)一次性支撐才能順利完成加工。這些支撐會增加加工時(shí)間仆葡、消耗更多材料赏参，而且還需要額外的后處理來進(jìn)行移除。

功能經(jīng)過優(yōu)化的零件

右圖 — 功能雖經(jīng)優(yōu)化但并不是為用于增材制造 (AM) 而設(shè)計(jì)的零件可能需要大量支撐沿盅，導(dǎo)致它們的制造效率偏低把篓。

因此，如果我們打算采用增材制造技術(shù)生產(chǎn)性能優(yōu)異的零件腰涧，同時(shí)又要兼顧經(jīng)濟(jì)和實(shí)用性韧掩，那么增材制造設(shè)計(jì) (DfAM) 就變得尤為重要〗颜。“拓?fù)鋬?yōu)化確實(shí)是最優(yōu)的嗎柒汉？”一文介紹了功能優(yōu)化與工藝設(shè)計(jì)之間的緊密聯(lián)系。

本文則介紹了能夠提高增材制造加工的成功率及生產(chǎn)效率的諸多關(guān)鍵因素萨宙，并解釋了設(shè)計(jì)師在開發(fā)高效的生產(chǎn)零件時(shí)應(yīng)遵循的一些重要指導(dǎo)原則监昏。

因素1 — 殘留應(yīng)力

殘留應(yīng)力是快速加熱和冷卻的必然產(chǎn)物，這是激光粉末床熔化工藝的固有特性惦知。每一個(gè)新的加工層都是通過如下方式構(gòu)建的：在粉末床上移動聚焦激光承副，熔化粉末頂層并將其與下方的一個(gè)加工層熔合。熱熔池中的熱量會傳遞至下方的固體金屬爪辟，這樣熔融的金屬就會冷卻并凝固冻菌。這一過程非常迅速，大約只有幾微秒既权。

新的金屬層在下層金屬的上表面凝固和冷卻時(shí)會出現(xiàn)收縮現(xiàn)象荚砍，但由于受到下方固體結(jié)構(gòu)的限制，其收縮會導(dǎo)致層與層之間形成剪切力酌沥。

熱量傳遞與收縮凝固

上圖 — 激光在固體基體的頂部熔融金屬形成新的焊道（左）四洗。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律姨，熔融后的粉末開始冷卻振峻。凝固后臼疫，冷卻金屬收縮择份，該金屬層與下一層之間就會形成剪切力（右）。

殘留應(yīng)力具有破壞性烫堤。當(dāng)我們在一個(gè)加工層頂部增加另一個(gè)加工層時(shí)荣赶，應(yīng)力隨之形成并累積，這可能導(dǎo)致零件變形鸽斟，其邊緣卷起拔创，之后可能會脫離支撐：

在比較極端的情況下利诺，應(yīng)力可能會超出零件的強(qiáng)度，造成組件破壞性開裂或加工托盤變形：

這些效應(yīng)在具有較大橫截面的零件中最為明顯剩燥，因?yàn)榇祟惲慵哂休^長的焊道慢逾，而且剪切力作用的距離更長。

盡可能減小殘留應(yīng)力

解決這一問題的手段之一是改變我們的掃描策略灭红，選擇一個(gè)最適合零件幾何形狀的方法侣滩。當(dāng)我們用激光軌跡填充零件中心時(shí)，通常會來回移動激光变擒，這一過程稱之為“掃描”相询。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(yīng)力水平蹂甥。采用縮短掃描矢量的策略褒谒，則會相應(yīng)減少產(chǎn)生的殘留應(yīng)力：

迂回掃描模式

· 完成每層掃描后旋轉(zhuǎn)67°

· 加工效率較高

· 殘留應(yīng)力逐漸增加

· 適合小、薄特征

條紋掃描模式

· 殘留應(yīng)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(gè)5x5 mm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°

· 殘留應(yīng)力均勻分布

· 適合大型零件

迂回虚缘、條紋和棋盤掃描模式

上圖 — 掃描策略與適合它們的不同零件類型奕喻。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”掃描辐轧∮鼗剑“棋盤”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市贡，減少殘留應(yīng)力的累積革惊。

我們也可以在從一個(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，這樣一來切果，應(yīng)力就不會全部在同一平面上集中骏卿。每層之間通常旋轉(zhuǎn)67度，以確保在加工完許多層后掃描方向才會完全重復(fù)淘太。

加熱加工托盤也是用于減少殘留應(yīng)力的一種方法姻僧，而序后熱處理也可減少累積的應(yīng)力。

殘留應(yīng)力設(shè)計(jì)建議

盡可能通過設(shè)計(jì)消除殘留應(yīng)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(yīng)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2 — 方向

在任何疊層制造工藝中蒲牧，加工方向始終限定在Z軸 — 即垂直于加工托盤撇贺。請注意，加工方向并非始終都是通用方向冰抢。應(yīng)當(dāng)選擇合適的方向松嘶，以便使用最少的支撐材料或不使用支撐材料來生產(chǎn)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挎扰，由于形狀是一層層構(gòu)建起來的翠订，因此層與層之間的關(guān)聯(lián)方式非常重要。當(dāng)每一層熔化時(shí)遵倦，它需要下面的一層來提供物理支撐和散熱路徑尽超。

當(dāng)激光熔化粉末層時(shí)官撼，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(jié)構(gòu)似谁，這會再次熔化部分固體金屬并形成牢固的焊接傲绣。隨著激光源移開，熔池也將快速凝固钓赛，因?yàn)闊崃恳驯挥行鬟f出去阅秀。

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肤狞。這些粉末的導(dǎo)熱性遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于固體金屬京拣，因此來自熔池的熱量會保留更長時(shí)間，導(dǎo)致周圍更多粉末燒結(jié)货瘫。結(jié)果可能是帜猩，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鬓灼。

固體金屬和粉末

上圖 — 在固體金屬上方熔化粉末能夠快速冷卻（左）朦阶。當(dāng)粉末熔化過程發(fā)生在懸伸區(qū)域時(shí)，由于其下方是未熔粉末瘪吭，因此需要更長時(shí)間冷卻杰翰，而多余的材料可能會附著在零件的底面。

擺放方向選擇

一般來說经芋，與加工托盤形成的角度小于45度的懸伸結(jié)構(gòu)需要支撐焰诲。

懸伸表面被稱為下表層。它們通常會呈現(xiàn)出比垂直壁面和朝上表面更粗糙的表面碟嘴。這種效果是熔池冷卻速度減慢導(dǎo)致懸伸結(jié)構(gòu)下方的粉末局部燒結(jié)所致溪食。

通常能夠在多個(gè)方向上完成一個(gè)零件的加工。我們應(yīng)選擇可實(shí)現(xiàn)最理想的零件自身支撐的擺放方向娜扇，以便盡可能降低加工成本并減少后期處理工作错沃。

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)域在加工過程中需要添加支撐來固定雀瓢。如果在下方?jīng)]有支撐結(jié)構(gòu)的情況下開始加工枢析，當(dāng)刮刀處理下一層時(shí)可能會造成第一個(gè)加工層發(fā)生位移，導(dǎo)致加工失敗刃麸。

局部最低點(diǎn)可能會非常明顯醒叁，如上例所示。它們也可能出現(xiàn)在與零件邊緣相交的橫孔和斜孔的頂部（如下例所示）嫌蚤。

增材制造零件的支撐

特征擺放方向

如前所述辐益，下表層的表面光潔度一般較差断傲。如果我們要生產(chǎn)具有最佳精度的細(xì)節(jié)特征脱吱，那么最好將這些特征定位在零件的頂面智政，也就是上表層。嵌入下表層的細(xì)節(jié)特征很有可能會損失精度苦频。

另一個(gè)要考慮的問題是零件相對于加粉刮刀的擺放方向清截。當(dāng)添加一層新的粉末時(shí)，刮刀會在粉末床上鋪開粉末梧杠，粉末逐漸被刮刀擠壓以形成新的密集層弧蜒。當(dāng)材料被擠壓時(shí)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啤都，向下擠壓粉末并向上擠壓零件的前邊緣砰穗。這可能會使零件鉤到刮刀上，導(dǎo)致加工失敗溃锤。請注意渣么，柔性刮刀可以降低這種影響。

刮刀移動方向圖

上圖 — 加粉刮刀和零件斜邊的相互作用灿拗。

支撐和斜邊的擺放應(yīng)盡可能遠(yuǎn)離刮刀方向蛋鸡。通過旋轉(zhuǎn)零件，壓力波現(xiàn)在能夠以傾斜的角度沖擊零件侍上，因此降低了零件變形的可能性弓候。

如果無法通過旋轉(zhuǎn)調(diào)整位置，或零件是旋轉(zhuǎn)對稱的他匪，則可能需要添加支撐菇存，而受影響的加工面可能需要進(jìn)行后期處理。

擺放設(shè)計(jì)建議

l 設(shè)計(jì)用于增材制造的零件的加工擺放方向應(yīng)明顯

l 設(shè)計(jì)師應(yīng)盡量創(chuàng)建自身支撐設(shè)計(jì)

l 加工成功是首要考量

l 殘留應(yīng)力和表面光潔度也是受擺放方向影響的重要因素

l 擺放方向可影響加工時(shí)間和成本

l 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)量邦蜜、細(xì)節(jié)撰筷、加工時(shí)間/成本和支撐結(jié)構(gòu)之間權(quán)衡取舍

l 設(shè)計(jì)師必須評估沖突因素以確定擺放方向

因素3 — 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(shè)計(jì)實(shí)踐畦徘。雖然我們可能會容忍在制造原型零件時(shí)付出額外的加工時(shí)間和后期處理成本毕籽，但是此類浪費(fèi)在批量生產(chǎn)增材制造零件時(shí)則是難以接受的。過度依賴支撐表明這個(gè)零件的幾何形狀“不夠穩(wěn)固”井辆，這對成品率有潛在影響关筒。

支撐目的

盡管我們可以通過設(shè)計(jì)來盡可能減少支撐，但有時(shí)也不可能將其完全消除杯缺。支撐有三大主要功能：

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(jié)構(gòu)蒸播，或局部最低點(diǎn)特征）。最好是將支撐結(jié)構(gòu)集成到組件設(shè)計(jì)中萍肆。

殘留應(yīng)力 — 我們應(yīng)通過設(shè)計(jì)來減小加工過程中的殘留應(yīng)力袍榆，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笆犀。如果這點(diǎn)無法實(shí)現(xiàn)柜步，那么可以應(yīng)用支撐來抵消零件中的應(yīng)力判原，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(chǎn)加工件冲或。

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

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)的支撐宝各，它是一次性結(jié)構(gòu)，當(dāng)加工完成時(shí)將被移除搭独。輔助支撐是那些在加工文件處理軟件中生成的支撐婴削。

在CAD環(huán)境中開發(fā)的排氣管的主要支撐

在加工文件處理軟件中開發(fā)的排氣管的輔助支撐

主要支撐的特點(diǎn)是堅(jiān)固，可控性更好牙肝“λ祝可以將它們導(dǎo)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(shè)計(jì)配椭。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)出虫溜。也可以執(zhí)行有限元應(yīng)力分析。此外股缸，我們可以設(shè)計(jì)和模擬主要支撐衡楞，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(shù)進(jìn)行管理敦姻，但缺乏可追溯性和可重復(fù)性瘾境。如果更改零件設(shè)計(jì)，它們可能需要重建镰惦∶允兀混合支撐設(shè)計(jì)充分利用CAD設(shè)計(jì)和加工文件處理軟件的優(yōu)勢來實(shí)現(xiàn)最佳方案。

圓角和倒角

雖然0.3 – 1 mm的水平懸伸結(jié)構(gòu)可采用自身支撐娩伴，但是不建議這樣做脯纽。而超過1 mm的懸伸結(jié)構(gòu)則必須要重新設(shè)計(jì)或?yàn)槠涮砑又巍靠牙？稍诮M件中添加圓角和倒角以消除懸伸結(jié)構(gòu)（如圖中右側(cè)所示）尽架。

關(guān)于移除支撐的挑戰(zhàn)

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。同樣糜罢，支撐太小也會給移除帶來難度熏虱。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(fēng)險(xiǎn)較高汛刻。

水平細(xì)節(jié) — 添加支撐或重新設(shè)計(jì)

零件側(cè)面露出的橫向孔可能也需要支撐射贡。在大多數(shù)激光粉末床機(jī)器上可加工出的孔的最小尺寸為0.4 mm瞪歹。

直徑大于10 mm的孔洞和管道將需要在其中心添加支撐瘾色，此時(shí)應(yīng)考慮重新設(shè)計(jì)。直徑介于這兩個(gè)尺寸之間的孔洞可在不添加支撐的情況下加工蛇热，但它們的下表層表面可能會出現(xiàn)一些變形梗爸，這是因?yàn)閼疑觳糠稚戏降娜鄢乩鋮s速度減慢所致。

由于水平孔的圓度很可能不會十分理想讹蘑，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末盔。在某些情況下，淚滴形或菱形孔都是可以接受的最終特征座慰。兩種輪廓都可用于流體通道陨舱，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版仔。

在其他情況下游盲，如果要求必須有高精度的圓孔，則需要進(jìn)行后期加工蛮粮。菱形孔可用作銑削加工的對稱導(dǎo)孔益缎，這點(diǎn)比淚滴形孔更好。在許多情況下然想，不在增材制造階段加工這些孔莺奔，而是在后期處理階段在實(shí)心結(jié)構(gòu)上鉆孔，這可能是最合理的方式变泄。

l 將10 mm以上的孔改造成自身支撐的菱形孔

l 使用倒角半徑以避免較高支撐

l 移除相對加工托盤的懸伸角度小于45°的區(qū)域

l 旋轉(zhuǎn)下表層使其遠(yuǎn)離刮刀方向

l 在增材制造加工完成后再加工小型特征

l 直接緊貼加工托盤完成零件加工令哟，同時(shí)留有額外的加工余量

l 移除水平下表層區(qū)域

因素4 — 優(yōu)化

拓?fù)鋬?yōu)化和衍生設(shè)計(jì)越來越多地用于設(shè)計(jì)具有更高效率的零件。網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)也具有減輕重量的優(yōu)勢怔哮。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)此類設(shè)計(jì)的最佳方式冠八。

這些優(yōu)化技巧的主要目的是，在移除多余材料的同時(shí)保持結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛性底靴。經(jīng)過優(yōu)化的零件通常呈現(xiàn)出更為復(fù)雜串题、有機(jī)的外觀。需要注意的是贝崎，功能經(jīng)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

例如宽舱，可明顯看到，以水平擺放方向加工該零件時(shí)，那些突出顯示為紅色的懸伸區(qū)域內(nèi)需要添加很多支撐荸脂。

沿垂直方向重新擺放零件后浸速，需要添加支撐的區(qū)域?qū)⒆兩佟A孔等細(xì)節(jié)將需要添加支撐或重新設(shè)計(jì)奕辖。還需要注意的是優(yōu)化的支撐桿與圓角半徑的交匯角就灸。

在設(shè)計(jì)階段重新評估零件時(shí)已將擺放方向考慮在內(nèi)，因此鲫肿，很顯然該零件在進(jìn)行增材制造加工時(shí)只有一個(gè)擺放方向∨葑欤現(xiàn)在要針對后期加工重新設(shè)計(jì)橫向孔等細(xì)節(jié)：

優(yōu)化設(shè)計(jì)建議

l 應(yīng)用最小壁厚準(zhǔn)則

l 確定用于加工的臨界表面

l 考慮支撐定位和移除或重新設(shè)計(jì)以便無需添加支撐

l 設(shè)計(jì)時(shí)考慮零件擺放方向并相應(yīng)修改細(xì)節(jié)

l 確定是否可達(dá)到要求的表面光潔度

設(shè)計(jì)師可能需要結(jié)合各種優(yōu)化技巧 — 拓?fù)鋬?yōu)化、空心零件逆济、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)（如適用）— 以實(shí)現(xiàn)高效的設(shè)計(jì)酌予。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)動因素奖慌。

總結(jié)

增材制造技術(shù)為生產(chǎn)高效抛虫、高性能的零件提供了極大的設(shè)計(jì)自由。但是要想以最低的成本和最少的浪費(fèi)來批量生產(chǎn)零件简僧，則必須充分考慮增材制造的工藝特性建椰。

將增材制造設(shè)計(jì) (DfAM) 思想融入設(shè)計(jì)過程，這有助于最大程度提高加工成功率岛马，并增強(qiáng)增材制造工藝的經(jīng)濟(jì)效益棉姐。毋庸置疑的是，設(shè)計(jì)師要想更具競爭力蛛枚，則不僅必須頭腦更加靈活谅海，還應(yīng)對增材制造工藝有更為深入的了解。

詳情請?jiān)L問(暫不可見)/additive

（雷尼紹）

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