增材制造六個設(shè)計要素-如何降低制造成本、提高效益
來源：3D科學(xué)谷
發(fā)布時間：2018 / 05 / 22
3D打印技術(shù)能夠通過降低模具成本，減少材料，減少裝配，減少研發(fā)周期等優(yōu)勢來降低企業(yè)制造成本，提高生產(chǎn)效益。那么，是不是將原有的設(shè)計思維和對于制造成本的管控方式直接挪到3D打印這種增材制造方式中來就可以發(fā)揮出3D打印的優(yōu)勢了呢？面對3D打印技術(shù)，企業(yè)是緊盯3D打印對制造成本的影響，還是放眼全局？
接下來，將結(jié)合美國大型3D打印服務(wù)企業(yè)ProtoLabs的應(yīng)用工程師所總結(jié)的增材制造六個設(shè)計要素，來剖析如何才能夠減少3D打印帶來的額外制造成本，更好的發(fā)揮3D打印在降低企業(yè)制造成本和提高綜合效益方面的優(yōu)勢。
1.優(yōu)化設(shè)計
精心設(shè)計的3D打印零件遵循的許多原則與注塑成型相似，比如說：在相鄰表面之間使用漸變過渡；避免橫截面積和零件體積之間的差異巨大的情況；避免出現(xiàn)在成品工件上產(chǎn)生殘留應(yīng)力的尖角；無支撐的薄壁結(jié)構(gòu)不能過高，否則會出現(xiàn)翹曲。
2.拋棄傳統(tǒng)
典型的3D打印零件往往帶有仿生設(shè)計，比如說蜂窩結(jié)構(gòu)或復(fù)雜點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。不要害怕在設(shè)計時使用這種結(jié)構(gòu)，只要它們能夠創(chuàng)造出更輕、更堅固的部件。不必忌諱在設(shè)計中使用孔狀結(jié)構(gòu)，因?yàn)橥ㄟ^傳統(tǒng)制造方式在零件中鉆孔無形中增加了材料的浪費(fèi)，從而導(dǎo)致成本上升。但應(yīng)注意的是，在增材制造時，尤其是選區(qū)激光熔融金屬3D技術(shù)制造圓孔時需綜合考慮是否添加孔洞的支撐結(jié)構(gòu)以及下表面可能會出現(xiàn)的變形情況，有些情況下，考慮采用淚滴形或六角形等孔形結(jié)構(gòu)來代替圓孔是更好的設(shè)計方式。
3.綜合考慮零件大批量生產(chǎn)時的制造方式
3D打印技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)自由造型，為零件設(shè)計創(chuàng)新帶來了很大空間，比如說3D打印技術(shù)可以制造出具有很多孔洞結(jié)構(gòu)的零件，但這并不意味著一定要這樣來設(shè)計零件。這是由于，很多企業(yè)認(rèn)識到3D打印技術(shù)能夠勝任零部件小批量生產(chǎn)，但是一旦企業(yè)所需要的產(chǎn)量大量上升時，仍需要考慮轉(zhuǎn)換成機(jī)械加工、鑄造等傳統(tǒng)工藝，在這種情況下，設(shè)計師需要在設(shè)計早期就綜合考慮零件將來投入量產(chǎn)時所采用的制造工藝是否也同樣能夠成功的實(shí)現(xiàn)出設(shè)計方案，從而在設(shè)計時做出權(quán)衡。在設(shè)計周期早期進(jìn)行可制造性（DFM）分析非常重要，做到這一點(diǎn)將確保企業(yè)在整個零件生命周期中實(shí)現(xiàn)具有成本效益的生產(chǎn)。
4.減少打印后的二次操作
部分3D打印工藝中需要為打印零件添加支撐結(jié)構(gòu)，以防止零件卷曲和翹曲，例如在使用選區(qū)激光熔融設(shè)備加工金屬零件時，通常需要為懸伸結(jié)構(gòu)添加支撐；立體光固化（SLA）3D打印中，也存在著需要添加支撐結(jié)構(gòu)的情況。打印中形成的金屬支撐結(jié)構(gòu)，在打印完成之后需要通過機(jī)加工等方式去除，塑料支撐結(jié)構(gòu)需要通過手持磨砂機(jī)等方式加以去除。但不論是何種去支撐的方式，都會增加成本，延發(fā)制造周期。因此設(shè)計時應(yīng)考慮通過改變設(shè)計、改變零件擺放的等方式來盡量避免為零件添加支撐結(jié)構(gòu)。
5.觀察公差
為了滿足金屬零部件對公差的要求，有時配合使用機(jī)械加工等二次加工工藝是必要的，但過度追求公差要求將會對3D打印零件的設(shè)計和制造產(chǎn)生影響，比如說為過度追求精度而增加打印層數(shù)，從而導(dǎo)致打印時間和打印成本增加。采用恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計策略，有時可以減少使用打印后處理工藝，比如說懸伸結(jié)構(gòu)表面（下表層），通常比垂直壁面和朝上表面的表面光潔度差，如果要生產(chǎn)具有理想精度的細(xì)節(jié)特征，那么最好在設(shè)計時將這些特征定位在零件的上表層。
6.顧全大局
雖然3D打印的材料成本、設(shè)備成本比成熟的傳統(tǒng)制造工藝高，但不要因此而望而卻步。在進(jìn)行3D打印零部件設(shè)計時，更應(yīng)緊緊抓住3D打印技術(shù)在實(shí)現(xiàn)復(fù)雜輕量化結(jié)構(gòu)，功能集成化零件方面的優(yōu)勢，盡可能激發(fā)3D打印在零部件設(shè)計優(yōu)化中所起到的作用。也就是說，面對3D打印技術(shù)時如果僅關(guān)注這項(xiàng)技術(shù)對于制造成本的影響，而忽略掉全面考慮該技術(shù)在重塑產(chǎn)品設(shè)計和功能，以及重塑供應(yīng)鏈方面的潛力，會使企業(yè)錯過3D打印創(chuàng)造的更多綜合效益。
接下來，將結(jié)合美國大型3D打印服務(wù)企業(yè)ProtoLabs的應(yīng)用工程師所總結(jié)的增材制造六個設(shè)計要素，來剖析如何才能夠減少3D打印帶來的額外制造成本，更好的發(fā)揮3D打印在降低企業(yè)制造成本和提高綜合效益方面的優(yōu)勢。
1.優(yōu)化設(shè)計
精心設(shè)計的3D打印零件遵循的許多原則與注塑成型相似，比如說：在相鄰表面之間使用漸變過渡；避免橫截面積和零件體積之間的差異巨大的情況；避免出現(xiàn)在成品工件上產(chǎn)生殘留應(yīng)力的尖角；無支撐的薄壁結(jié)構(gòu)不能過高，否則會出現(xiàn)翹曲。
2.拋棄傳統(tǒng)
典型的3D打印零件往往帶有仿生設(shè)計，比如說蜂窩結(jié)構(gòu)或復(fù)雜點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。不要害怕在設(shè)計時使用這種結(jié)構(gòu)，只要它們能夠創(chuàng)造出更輕、更堅固的部件。不必忌諱在設(shè)計中使用孔狀結(jié)構(gòu)，因?yàn)橥ㄟ^傳統(tǒng)制造方式在零件中鉆孔無形中增加了材料的浪費(fèi)，從而導(dǎo)致成本上升。但應(yīng)注意的是，在增材制造時，尤其是選區(qū)激光熔融金屬3D技術(shù)制造圓孔時需綜合考慮是否添加孔洞的支撐結(jié)構(gòu)以及下表面可能會出現(xiàn)的變形情況，有些情況下，考慮采用淚滴形或六角形等孔形結(jié)構(gòu)來代替圓孔是更好的設(shè)計方式。
3.綜合考慮零件大批量生產(chǎn)時的制造方式
3D打印技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)自由造型，為零件設(shè)計創(chuàng)新帶來了很大空間，比如說3D打印技術(shù)可以制造出具有很多孔洞結(jié)構(gòu)的零件，但這并不意味著一定要這樣來設(shè)計零件。這是由于，很多企業(yè)認(rèn)識到3D打印技術(shù)能夠勝任零部件小批量生產(chǎn)，但是一旦企業(yè)所需要的產(chǎn)量大量上升時，仍需要考慮轉(zhuǎn)換成機(jī)械加工、鑄造等傳統(tǒng)工藝，在這種情況下，設(shè)計師需要在設(shè)計早期就綜合考慮零件將來投入量產(chǎn)時所采用的制造工藝是否也同樣能夠成功的實(shí)現(xiàn)出設(shè)計方案，從而在設(shè)計時做出權(quán)衡。在設(shè)計周期早期進(jìn)行可制造性（DFM）分析非常重要，做到這一點(diǎn)將確保企業(yè)在整個零件生命周期中實(shí)現(xiàn)具有成本效益的生產(chǎn)。
4.減少打印后的二次操作
部分3D打印工藝中需要為打印零件添加支撐結(jié)構(gòu)，以防止零件卷曲和翹曲，例如在使用選區(qū)激光熔融設(shè)備加工金屬零件時，通常需要為懸伸結(jié)構(gòu)添加支撐；立體光固化（SLA）3D打印中，也存在著需要添加支撐結(jié)構(gòu)的情況。打印中形成的金屬支撐結(jié)構(gòu)，在打印完成之后需要通過機(jī)加工等方式去除，塑料支撐結(jié)構(gòu)需要通過手持磨砂機(jī)等方式加以去除。但不論是何種去支撐的方式，都會增加成本，延發(fā)制造周期。因此設(shè)計時應(yīng)考慮通過改變設(shè)計、改變零件擺放的等方式來盡量避免為零件添加支撐結(jié)構(gòu)。
5.觀察公差
為了滿足金屬零部件對公差的要求，有時配合使用機(jī)械加工等二次加工工藝是必要的，但過度追求公差要求將會對3D打印零件的設(shè)計和制造產(chǎn)生影響，比如說為過度追求精度而增加打印層數(shù)，從而導(dǎo)致打印時間和打印成本增加。采用恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計策略，有時可以減少使用打印后處理工藝，比如說懸伸結(jié)構(gòu)表面（下表層），通常比垂直壁面和朝上表面的表面光潔度差，如果要生產(chǎn)具有理想精度的細(xì)節(jié)特征，那么最好在設(shè)計時將這些特征定位在零件的上表層。
6.顧全大局
雖然3D打印的材料成本、設(shè)備成本比成熟的傳統(tǒng)制造工藝高，但不要因此而望而卻步。在進(jìn)行3D打印零部件設(shè)計時，更應(yīng)緊緊抓住3D打印技術(shù)在實(shí)現(xiàn)復(fù)雜輕量化結(jié)構(gòu)，功能集成化零件方面的優(yōu)勢，盡可能激發(fā)3D打印在零部件設(shè)計優(yōu)化中所起到的作用。也就是說，面對3D打印技術(shù)時如果僅關(guān)注這項(xiàng)技術(shù)對于制造成本的影響，而忽略掉全面考慮該技術(shù)在重塑產(chǎn)品設(shè)計和功能，以及重塑供應(yīng)鏈方面的潛力，會使企業(yè)錯過3D打印創(chuàng)造的更多綜合效益。
