?增材制造設(shè)計(jì)（DfAM）指南：終于有人把3D打印講明白了
來(lái)源：奧拉夫·迪格爾
發(fā)布時(shí)間：2021 / 04 / 16
? 增材制造（俗稱3D打?。且环N通過(guò)簡(jiǎn)單的二維逐層增加材料的方式直接成型三維復(fù)雜結(jié)構(gòu)的數(shù)字制造技術(shù)。
▌什么是增材制造
增材制造（Additive Manufacturing，AM）涵蓋了一系列技術(shù)，這些技術(shù)采用逐層構(gòu)建零部件的方法從虛擬的三維模型逐漸構(gòu)造出實(shí)體的零部件。
與減材制造工藝相比，增材制造是從零開(kāi)始的，通過(guò)依次在前一層的頂部“打印”新的一層來(lái)構(gòu)建零件，直至零件完成（圖1-1b）。根據(jù)所使用的特定增材制造技術(shù)，每一層的厚度也有所不同，在幾微米到約0.25mm之間變化，當(dāng)前有許多材料可以應(yīng)用于不同的增材制造工藝。
圖1-1 減材制造與增材制造
增材制造相關(guān)概念的提出最早可以追溯到19世紀(jì)末至20世紀(jì)初，當(dāng)時(shí)引入了基于分層的地形圖作為地形的三維表示，以及一些使用這些拓?fù)淠Ｐ蜕扇S地圖的方法，如把紙質(zhì)地圖包裹到現(xiàn)有拓?fù)淠Ｐ蜕仙傻匦蔚娜S模型。
照相雕塑也起源于19世紀(jì)末，它通過(guò)從物體周圍不同角度拍攝的一系列不同照片，然后以這些不同角度的照片作為模板來(lái)雕刻出物體，因此最初的減材制造工藝中出現(xiàn)了幾種使用光敏材料創(chuàng)建模型的方法。
現(xiàn)代增材制造始于20世紀(jì)中葉，源于1951年Otto John Munz提出的一項(xiàng)專利，其本質(zhì)上是由一層層打印在感光乳劑上的二維透明照片疊加而成的，該專利被認(rèn)為是現(xiàn)代立體光刻技術(shù)的起源。他開(kāi)發(fā)了一種以分層方式選擇性地曝光透明感光乳劑的系統(tǒng)，其中每一層都對(duì)物體的橫截面進(jìn)行曝光。
就像現(xiàn)代的立體光刻機(jī)一樣，逐漸降低用于構(gòu)建零件的構(gòu)建平臺(tái)，并在前一層的上方添加下一層感光乳劑和定影劑。一旦完成打印過(guò)程，該系統(tǒng)便生成一個(gè)包含物體三維圖像的透明實(shí)心圓柱體。這個(gè)系統(tǒng)的一個(gè)缺點(diǎn)是最終的三維實(shí)體必須通過(guò)二次加工（人工雕刻或光化學(xué)蝕刻）從圓柱體中取出。
在隨后的幾十年中，陸續(xù)出現(xiàn)了一系列新的技術(shù)。1968年，Swainson提出了一種通過(guò)選出三維聚合兩個(gè)激光束相交處的光敏聚合物來(lái)直接制造塑料模型的技術(shù)（該專利轉(zhuǎn)讓給了Formigraphic Engine公司）。
Battelle實(shí)驗(yàn)室也進(jìn)行了一項(xiàng)名為“光化學(xué)加工”的工作，即通過(guò)在相交的激光束下曝光相應(yīng)材料產(chǎn)生的光化學(xué)交聯(lián)或聚合物降解來(lái)制備物體。
1971年，Ciraud提出了一種粉末工藝，可以將他視為現(xiàn)代直接沉積增材制造技術(shù)（如粉末床熔融）之父。
1979年，Householder開(kāi)發(fā)了初期的基于粉末的激光選區(qū)燒結(jié)工藝，他在專利中討論了依次沉積粉末平面層并選擇性固化每一層的局部位置。固化過(guò)程可以通過(guò)使用熱量和控制熱量來(lái)實(shí)現(xiàn)，控制熱量的方法包括選定掩模和控制熱掃描過(guò)程（如激光掃描）。
其他值得關(guān)注的早期增材制造的研究成果包括日本名古屋市工業(yè)研究所的Kodama開(kāi)發(fā)的許多與立體光刻相關(guān)的技術(shù)，以及Herbert與Kodama一起開(kāi)發(fā)的一種控制紫外激光的系統(tǒng)，該系統(tǒng)借助x-y繪圖儀上的反射鏡系統(tǒng)，將激光束照射到光敏聚合物層上，以掃描摹型的每一層，然后將構(gòu)建平臺(tái)和構(gòu)建層在樹(shù)脂桶中降低1mm，并不斷重復(fù)該過(guò)程。
圖1-2所示為增材制造早期部分零件示例。
圖1-2 Householder、Kodama、Herbert、Manriquez Frayre和Bourell提出的增材制造早期零件示例（由Ismail Fidan、Dave Bourell和IS&T：The Society for Imaging Science提供）
隨著商業(yè)可用系統(tǒng)的發(fā)展，人們今天所熟知的商業(yè)化的增材制造直到1986年才真正開(kāi)始出現(xiàn)，當(dāng)時(shí)Charles W. Hull擁有立體光刻專利，該專利最初由UVP股份有限公司擁有，該公司將這項(xiàng)專利授權(quán)給其前雇員Charles W. Hull，他使用該專利的技術(shù)創(chuàng)建了3D Systems公司。
隨之發(fā)展到1988年出現(xiàn)了第一臺(tái)商用SLA機(jī)器，從那時(shí)起，幾乎每年都可以看到可用系統(tǒng)、技術(shù)和材料的指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。
但是，在2009年初，ASTM F42增材制造技術(shù)委員會(huì)試圖標(biāo)準(zhǔn)化該行業(yè)使用的術(shù)語(yǔ)，在一次會(huì)議上，經(jīng)過(guò)許多行業(yè)專家關(guān)于最佳術(shù)語(yǔ)的討論，最終得出了“增材制造”一詞，如今，“增材制造”被認(rèn)為是行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)術(shù)語(yǔ)。
在ASTM F2792 10e1增材制造技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)術(shù)語(yǔ)文件中，增材制造被定義為：根據(jù)三維模型的數(shù)據(jù)逐層地將材料連接起來(lái)以制備出物體的過(guò)程。該工藝與減材制造工藝（如傳統(tǒng)機(jī)加工）相反。
減材制造是從較大的材料塊中去除材料直至獲得最終產(chǎn)品，與減材制造工藝不同，大多數(shù)增材制造工藝不會(huì)產(chǎn)生過(guò)多的廢料。如果將經(jīng)過(guò)增材制造設(shè)計(jì)的零件與通過(guò)常規(guī)制造生產(chǎn)的單個(gè)零件進(jìn)行比較，那么前者通常不需要大量的時(shí)間來(lái)去除多余的材料，進(jìn)而能夠減少制備時(shí)間和成本，并且能減少浪費(fèi)。
但是，這不應(yīng)被錯(cuò)誤地理解為增材制造總是能夠制備出比傳統(tǒng)制造更便宜的零件。實(shí)際上，在許多情況下恰恰相反，因?yàn)樵霾闹圃焓且环N相對(duì)費(fèi)時(shí)且成本高昂的技術(shù)。但對(duì)AM經(jīng)濟(jì)性方面的考量很大程度上取決于所使用的AM技術(shù)類別，以及可以使用的許多可能的設(shè)計(jì)參數(shù)，這些也是本書(shū)所介紹的內(nèi)容。
應(yīng)該指出的是，盡管工業(yè)上通常采用增材制造這個(gè)術(shù)語(yǔ)，但許多大眾媒體仍將增材制造稱為3D打印，因?yàn)檫@是公眾更容易理解的術(shù)語(yǔ)。一些人認(rèn)為3D打印一詞集中在低成本的、以業(yè)余愛(ài)好打印為主的桌面3D打印機(jī)上，而增材制造一詞則集中在高端工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)中。
▌增材制造工藝鏈
所有增材制造都從創(chuàng)建虛擬三維CAD模型開(kāi)始，這個(gè)過(guò)程幾乎可以使用任何三維計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（Computer Aided Design，CAD）軟件來(lái)完成。
然后需要將CAD文件轉(zhuǎn)換為能夠被AM機(jī)器識(shí)別的文件格式。當(dāng)前，能夠被AM機(jī)器識(shí)別的最常用的文件格式是STL文件（也稱為標(biāo)準(zhǔn)三角語(yǔ)言、立體光刻語(yǔ)言或標(biāo)準(zhǔn)曲面細(xì)分語(yǔ)言），該格式可以將原始CAD文件轉(zhuǎn)換為三角面片文件。STL文件的分辨率越高，它包含的三角面片越多，因此模型的質(zhì)量越好，如圖1-4所示。
圖1-4 STL文件分辨率示例
最近，有人提出了一些新的增材制造文件格式，包括增材制造文件格式（Additive Manufacturing File Format，AMF）和3D制造格式（3D Manufacturing Format，3MF），這些格式大大改進(jìn)了有些過(guò)時(shí)的STL格式，因?yàn)樗鼈兿蛭募刑砑恿烁嘈畔?，包括顏色和材料，并允許使用彎曲的三角形來(lái)改善模型質(zhì)量。在這些文件格式發(fā)布的時(shí)候，3MF似乎比AMF更具有吸引力。
一些研究人員正在致力于研究如何直接從本機(jī)CAD格式進(jìn)行打印，這是最有前途的方向，因?yàn)樗苊饬怂形募D(zhuǎn)換的過(guò)程，從本質(zhì)上說(shuō)，文件轉(zhuǎn)換會(huì)降低模型的質(zhì)量。然而，當(dāng)前大多數(shù)AM系統(tǒng)和臺(tái)式3D打印機(jī)仍在使用STL文件。
隨后，由CAD軟件生成的STL文件將在AM機(jī)器的軟件中被打開(kāi)，并將模型以最適合打印的方向放置在軟件的虛擬構(gòu)建平臺(tái)（將在其上部打印零件的平臺(tái)）上。打印方向會(huì)影響表面質(zhì)量和最終零件的強(qiáng)度。
例如，某些打印過(guò)程會(huì)產(chǎn)生高各向異性的零件，這些零件的各層之間或打印的垂直方向上存在缺陷。在打印過(guò)程中，有時(shí)也會(huì)使用支撐材料（圖1-5），以確保能夠打印懸垂的零件。這些方面對(duì)于增材制造至關(guān)重要。
隨后，增材制造設(shè)備中的軟件將會(huì)對(duì)STL文件中的模型進(jìn)行切片操作，有些軟件還允許設(shè)置其他打印參數(shù)，包括打印分辨率（層厚）、材料、填充模式和速度等。
一旦軟件將零件構(gòu)建指令發(fā)送給打印設(shè)備，該設(shè)備就會(huì)開(kāi)始逐層構(gòu)建零件。如何構(gòu)建每一層以及使用什么材料取決于所使用的特定的增材制造技術(shù)類別。
增材制造過(guò)程鏈如圖1-6所示。
圖1-6 增材制造過(guò)程鏈
后處理包括清除零件殘留的粉末或樹(shù)脂以及去除支撐材料，并且大多數(shù)情況下，如果AM機(jī)器打印的表面不能滿足要求，為了得到更精細(xì)的表面，則可能還需要進(jìn)行諸如機(jī)加工等的進(jìn)一步處理，還有能使零件強(qiáng)度提高的浸滲處理以及金屬零件的熱處理。如果零件需要的顏色不是AM材料所提供的顏色，則可以對(duì)零件進(jìn)行著色和噴漆處理。
▌增材制造的當(dāng)前應(yīng)用
圖1-7 目前AM的應(yīng)用領(lǐng)域（由Wohlers Associates提供）
值得注意的是，盡管43.9%的應(yīng)用于快速原型領(lǐng)域（包括裝配組裝、功能模型、展示模型和視覺(jué)輔助），但使用AM來(lái)直接或間接生產(chǎn)實(shí)體零件的應(yīng)用現(xiàn)在已經(jīng)超過(guò)了56%。這些應(yīng)用包括用于原型工具模型、金屬鑄件模型、工具組件以及直接生產(chǎn)零件。
Wohlers認(rèn)為，隨著越來(lái)越多的行業(yè)將AM用作其不斷增長(zhǎng)的制造業(yè)務(wù)的一部分，該百分比在未來(lái)幾年內(nèi)將大幅增長(zhǎng)。
自AM技術(shù)出現(xiàn)以來(lái)，其已經(jīng)發(fā)展于兩個(gè)截然不同的領(lǐng)域。特別是在過(guò)去的十年中，高端機(jī)器已經(jīng)取得了很大的進(jìn)步，這些機(jī)器能夠用多種材料生產(chǎn)出高質(zhì)量的零件。
同時(shí)，DIY和桌面3D打印機(jī)社區(qū)有了巨大的增長(zhǎng)，其入門(mén)級(jí)的增材制造系統(tǒng)種類繁多，價(jià)格從幾百美元到幾千美元不等。整個(gè)社區(qū)（如reprap、fablab和makerbot社區(qū)）已經(jīng)發(fā)展起來(lái)，這些社區(qū)通常采用開(kāi)源的方式來(lái)共享增材制造的知識(shí)，極大地推動(dòng)了該行業(yè)的發(fā)展。
另外，值得關(guān)注的是，使用增材制造的行業(yè)也日益增多（圖1-8）。
圖1-8 使用增材制造的行業(yè)（由Wohlers Associates提供）
直到最近幾年，隨著增材制造的質(zhì)量提高到了一定程度，才使得一些公司開(kāi)始將其用作可行的生產(chǎn)技術(shù)。隨著新型聚合物和金屬材料的開(kāi)發(fā)以及機(jī)器打印速度和精度的進(jìn)一步提高，更多的增材制造機(jī)器可能會(huì)進(jìn)入主流生產(chǎn)線。
增材制造還具有許多特質(zhì)，這些特質(zhì)使其有能力制造出傳統(tǒng)制造技術(shù)無(wú)法制造的零件。了解這些對(duì)于理解何時(shí)使用以及何時(shí)不使用AM至關(guān)重要。
同樣重要的是，增材制造將永遠(yuǎn)不會(huì)完全取代傳統(tǒng)制造。這是一項(xiàng)互補(bǔ)技術(shù)，如果是由于創(chuàng)造價(jià)值而使用這項(xiàng)技術(shù)，并且生產(chǎn)的零件專門(mén)為增材制造而設(shè)計(jì)，那么這項(xiàng)技術(shù)可以為公司創(chuàng)造巨大的價(jià)值。下面列出了AM與常規(guī)制造相比的一些優(yōu)勢(shì)。
本文摘編自《增材制造設(shè)計(jì)（DfAM）指南》，作者：奧拉夫·迪格爾（Olaf Diegel）、阿克塞爾·諾丁（Axel Nordin）、達(dá)米恩·莫特（Damien Motte）。
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