增材制造六個設計要素-如何降低制造成本、提高效益
來源：3D科學谷
發(fā)布時間：2018 / 05 / 22
3D打印技術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，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打印服務企業(yè)ProtoLabs的應用工程師所總結(jié)的增材制造六個設計要素，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)化設計
精心設計的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)生殘留應力的尖角；無支撐的薄壁結(jié)構不能過高，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計，比如說蜂窩結(jié)構或復雜點陣結(jié)構。不要害怕在設計時使用這種結(jié)構，只要它們能夠創(chuàng)造出更輕、更堅固的部件。不必忌諱在設計中使用孔狀結(jié)構，因為通過傳統(tǒng)制造方式在零件中鉆孔無形中增加了材料的浪費，從而導致成本上升。但應注意的是，在增材制造時，尤其是選區(qū)激光熔融金屬3D技術制造圓孔時需綜合考慮是否添加孔洞的支撐結(jié)構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)構來代替圓孔是更好的設計方式。
3.綜合考慮零件大批量生產(chǎn)時的制造方式
3D打印技術能夠?qū)崿F(xiàn)自由造型，為零件設計創(chuàng)新帶來了很大空間，比如說3D打印技術可以制造出具有很多孔洞結(jié)構的零件，但這并不意味著一定要這樣來設計零件。這是由于，很多企業(yè)認識到3D打印技術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)換成機械加工、鑄造等傳統(tǒng)工藝，在這種情況下，設計師需要在設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現(xiàn)出設計方案，從而在設計時做出權衡。在設計周期早期進行可制造性（DFM）分析非常重要，做到這一點將確保企業(yè)在整個零件生命周期中實現(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，以防止零件卷曲和翹曲，例如在使用選區(qū)激光熔融設備加工金屬零件時，通常需要為懸伸結(jié)構添加支撐；立體光固化（SLA）3D打印中，也存在著需要添加支撐結(jié)構的情況。打印中形成的金屬支撐結(jié)構，在打印完成之后需要通過機加工等方式去除，塑料支撐結(jié)構需要通過手持磨砂機等方式加以去除。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。因此設計時應考慮通過改變設計、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。
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)，從而導致打印時間和打印成本增加。采用恰當?shù)脑O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)具有理想精度的細節(jié)特征，那么最好在設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。在進行3D打印零部件設計時，更應緊緊抓住3D打印技術在實現(xiàn)復雜輕量化結(jié)構，功能集成化零件方面的優(yōu)勢，盡可能激發(fā)3D打印在零部件設計優(yōu)化中所起到的作用。也就是說，面對3D打印技術時如果僅關注這項技術對于制造成本的影響，而忽略掉全面考慮該技術在重塑產(chǎn)品設計和功能，以及重塑供應鏈方面的潛力，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打印服務企業(yè)ProtoLabs的應用工程師所總結(jié)的增材制造六個設計要素，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)化設計
精心設計的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)生殘留應力的尖角；無支撐的薄壁結(jié)構不能過高，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計，比如說蜂窩結(jié)構或復雜點陣結(jié)構。不要害怕在設計時使用這種結(jié)構，只要它們能夠創(chuàng)造出更輕、更堅固的部件。不必忌諱在設計中使用孔狀結(jié)構，因為通過傳統(tǒng)制造方式在零件中鉆孔無形中增加了材料的浪費，從而導致成本上升。但應注意的是，在增材制造時，尤其是選區(qū)激光熔融金屬3D技術制造圓孔時需綜合考慮是否添加孔洞的支撐結(jié)構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)構來代替圓孔是更好的設計方式。
3.綜合考慮零件大批量生產(chǎn)時的制造方式
3D打印技術能夠?qū)崿F(xiàn)自由造型，為零件設計創(chuàng)新帶來了很大空間，比如說3D打印技術可以制造出具有很多孔洞結(jié)構的零件，但這并不意味著一定要這樣來設計零件。這是由于，很多企業(yè)認識到3D打印技術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)換成機械加工、鑄造等傳統(tǒng)工藝，在這種情況下，設計師需要在設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現(xiàn)出設計方案，從而在設計時做出權衡。在設計周期早期進行可制造性（DFM）分析非常重要，做到這一點將確保企業(yè)在整個零件生命周期中實現(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，以防止零件卷曲和翹曲，例如在使用選區(qū)激光熔融設備加工金屬零件時，通常需要為懸伸結(jié)構添加支撐；立體光固化（SLA）3D打印中，也存在著需要添加支撐結(jié)構的情況。打印中形成的金屬支撐結(jié)構，在打印完成之后需要通過機加工等方式去除，塑料支撐結(jié)構需要通過手持磨砂機等方式加以去除。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。因此設計時應考慮通過改變設計、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。
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)，從而導致打印時間和打印成本增加。采用恰當?shù)脑O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)具有理想精度的細節(jié)特征，那么最好在設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。在進行3D打印零部件設計時，更應緊緊抓住3D打印技術在實現(xiàn)復雜輕量化結(jié)構，功能集成化零件方面的優(yōu)勢，盡可能激發(fā)3D打印在零部件設計優(yōu)化中所起到的作用。也就是說，面對3D打印技術時如果僅關注這項技術對于制造成本的影響，而忽略掉全面考慮該技術在重塑產(chǎn)品設計和功能，以及重塑供應鏈方面的潛力，會使企業(yè)錯過3D打印創(chuàng)造的更多綜合效益。
