重磅干貨：增材制造設計的基本準則要素

2020年4月，南極熊將發(fā)布以“如何把3D打印制造引入工業(yè)應用生產(chǎn)”為主題的重磅系列干貨研究報告，非常專業(yè)，讓你了解這個技術產(chǎn)業(yè)化應用的難點、方法、竅門。

原內(nèi)容出自：歐洲耗時兩年、耗資210萬歐元的研究項目《AM 4 Industry》
譯者：北京化工大學英藍實驗室  吳懷松、何其超、程月、王皓宇、張秀、劉俊豐

報告：

• 《激光束熔化（LBM）增材制造缺陷因素》：http://m.withyoor.com/thread-140663-1-1.html
• 《增材制造的近輪廓冷卻通道的設計和仿真研究》：http://m.withyoor.com/thread-140773-1-1.html
• 《增材制造質(zhì)量優(yōu)化和成本分析》http://m.withyoor.com/thread-140728-1-1.html
  

下面是報告《增材制造設計的基本準則要素》

增材制造設計的基本準則要素

目錄
1簡介        1
1.1為什么使用增材制造（ AM）？        1
1.2對于復雜形狀的設計有什么指導？        4
2 AM的主要方面        7
2.1不同的技術        7
2.1.1容器內(nèi)光聚合（SLA）        7
2.1.2材料擠出（又名熔融沉積模型——FDM）        9
2.1.3材料噴射        11
2.1.4粘結(jié)劑噴射        12
2.1.5粉末床熔合        13
2.1.6定向能量沉積        15
2.1.7片層壓        16
2.1.8總結(jié)        16
2.2原材料        17
2.3支撐結(jié)構(gòu)        22
2.3.1在AM為什么需要支撐？        24
2.3.2我們?yōu)槭裁匆�去除支撐�?nbsp;       28
2.3.3設計師能做什么？        31
2.4表面質(zhì)量        34
2.4.1原材料的影響        34
2.4.2工藝偏差的影響        36
2.4.3層厚影響        39
2.5準確度        40
2.6時間方面        41
3  對設計的影響        41
4結(jié)論        43

插圖
圖 1：用于注塑面臨的限制的基本設計規(guī)則        1
圖 2：加工過程中的刀具可接近性問題，降低了可實現(xiàn)的幾何復雜性        2
圖 3：增材制造與傳統(tǒng)制造業(yè)相比的成本效益機會（綠色區(qū)域        2
圖 4：拓撲優(yōu)化(右側(cè)，白色顯示)的一個傳統(tǒng)的做法(左側(cè)，顯示深灰色)        5
圖 5：“自上而下水流”的思維方式來預測增材制造中的熱問題        6
圖 6：增材制造系列        7
圖 7：容器內(nèi)光聚合原理，帶激光        8
圖 8：帶DLP的容器內(nèi)光聚合        9
圖 9：帶DLP的容器內(nèi)光聚合        10
圖 10：AM中的典型粗糙度分布（線基或粉末基工藝        10
圖 11：材料噴射原理        11
圖 12：粘合劑噴射原理        12
圖 13：粉末床熔合（激光金屬）原理        13
圖 14：選擇性激光燒結(jié)原理        15
圖 15：定向能量沉積原理        16
圖 16：SLS過程結(jié)束時的原材料去除步驟        18
圖 17：將要生產(chǎn)的空心立方體        18
圖 18：當?shù)谝粚颖恢圃鞎r，所有區(qū)域都被激光加工        19
圖 19：中間層制造時，側(cè)壁被激光加工        19
圖 20：最后一層的處理密封立方體        19
圖 21：考慮“更容易清洗”的設計修改        20
圖 22：從組件功能開始的設計過程。傳統(tǒng)與AM設計方法的比較        20
圖 23：外部組件中帶有集成粉末排出通道的球頭        21
圖 24：采用排粉方法的車軸設計        21
圖 25：內(nèi)部已成功清洗的復雜零件示例        22
圖 26：支撐結(jié)構(gòu)與實際零件體積的比較示例        23
圖 27：根據(jù)選定的零件方向，需要支撐的突出區(qū)域        23
圖 28：支撐加固第一層        24
圖 29：SLA過程中實際支撐加固部件的示例        25
圖 30：缺少支撐對懸壁區(qū)域的影響。越長，效果越差        25
圖 31：由于支撐結(jié)構(gòu)缺失，熱疏散不良，導致部分坍塌        26
圖 32：由于缺乏支撐，懸挑長度對下表面質(zhì)量的影響，導致散熱不良        26
圖 33：表面方向?qū)Ρ砻尜|(zhì)量的影響        27
圖 34：兩種不同層配置的俯視圖        27
圖 35：由于支撐結(jié)構(gòu)薄弱，無法抵消內(nèi)部熱應力，導致零件在加工過程中分層        28
圖 36：設計調(diào)整示例，以便于加工后拆除支撐        29
圖 37：支撐連接對區(qū)域表面質(zhì)量的影響-1        30
圖 38：支撐連接對區(qū)域表面質(zhì)量的影響-2        30
圖 39：AM中的主要設計提示。盡可能“垂直”地設計零件        31
圖 40：“垂直”設計，特別適合AM，減少了對支撐結(jié)構(gòu)的需求        33
圖 41：在較短的節(jié)段中重新設置長度，以避免導致彎曲的高應力（與直線長度成比例        33
圖 42：部分熔融粉末顆粒對表面的影響，粗糙度增加        34
圖 43：金屬粉末的粉末床熔化過程的實際表面形貌        34
圖 44：層厚對表面質(zhì)量的影響，主要是“臺階效應”        35
圖 45：制造方式選擇的影響。層厚相同：左側(cè)FDM，右側(cè)SLA        36
圖 46：層密度變化對熱過程的影響        37
圖 47：長(下)和短(上)冷卻時間之間的過渡線在小零件的制造結(jié)束后        37
圖 48：生成“收縮線”的連續(xù)步驟        38
圖 49：由于局部粉末分布不均勻，導致熔體質(zhì)量差，可以看見明顯的線條        38
圖 50：50層厚對表面質(zhì)量和制造時間的影響        39
圖 51：由于零件幾何形狀而產(chǎn)生“臺階效應”的區(qū)域        39
圖 52：組件功能的3D地圖定義        42
圖 53：第一個簡化設計方案        42
圖 54：相同的設計但不同的對齊方式可以改變所需的支持數(shù)量        43
圖 55：根據(jù)所選方向調(diào)整設計，以盡量減少后處理操作        43

1.簡介
增材制造（AM）可以制造任意幾何形狀的零件，因此設計師容易設計出令人驚嘆的幾何圖形，但是零件的質(zhì)量不一定可以滿足設計師的需求。零件可出現(xiàn)能變形、表面質(zhì)量差、光潔度可能低于預期或超出公差范圍等問題。

設計師可以做些事情來解決這些問題，考慮一些基本的因素將使它們的零件更易于制造。如果制造工藝更容易一些，最終質(zhì)量也會提高，甚至有時能在不犧牲性能的情況下降低成本。

本文檔旨在介紹各種增材制造機器的工作原理，這將有助于讀者理解為什么增材制造中會有一些設計規(guī)則，以及為什么它們存在。
這樣，設計師可以為選定的增材制造技術創(chuàng)建優(yōu)化的形狀，這意味著更好的完工后的質(zhì)量和更低的后處理成本。
這項工作由Sirris研究中心進行，是Cornet項目AM4I工業(yè)增材制造的一部分。

1.1為什么使用增材制造（ AM）？與傳統(tǒng)制造的相對成本計算
使用傳統(tǒng)技術(如機械加工和注射成型)有很多優(yōu)點。所有的減法工藝(電火花加工、車削、銑削等)都能在所有可使用的材料上制造出反射表面光潔度和微米級精度的零件精度。注塑成型有相當多的設置，但一旦設置好這些設置，產(chǎn)量(每時間單位的零件產(chǎn)量)是非常高的，這通常是批量生產(chǎn)的唯一方法。

圖 1：用于注塑面臨的限制的基本設計規(guī)則

但是，這個行業(yè)面臨的挑戰(zhàn)越來越復雜，以至于有時用傳統(tǒng)的技術根本無法實現(xiàn)滿足特定功能的幾何結(jié)構(gòu)，有時這是由于在加工過程中工具的可接近性，或是由于必須在注塑過程中打開模具才能在不損壞零件的情況下取回零件，有時，這僅僅是因為產(chǎn)品太�。▎蝹�產(chǎn)品），不符合成本效益，也不值得為此付出工具成本。

圖 2：加工過程中的刀具可接近性問題，降低了可實現(xiàn)的幾何復雜性

上述相當嚴重的限制可能會阻礙零件變得更輕、更高效、更快，或者早期原型無法更早地用于重復和改進它們。此外，在成本方面，傳統(tǒng)技術的能力可以大致估計，增材制造相關的機會出現(xiàn)了 。

圖 3：增材制造與傳統(tǒng)制造業(yè)相比的成本效益機會（綠色區(qū)域

圖3顯示了在傳統(tǒng)制造（CM）中哪些是具有成本優(yōu)勢的，以及在使用增材制造（ AM）時什么時候是更有經(jīng)濟效益的。
眾所周知，對傳統(tǒng)方法生產(chǎn)的零件數(shù)量而言，機器生產(chǎn)的零件量越大，單位成本就越低，如果要生產(chǎn)的數(shù)量減少太多，模具成本會使相對成本太高而變得無利可圖。這一部分由藍色曲線表示，虛線限制表示生產(chǎn)的零件數(shù)量變得太少。

與傳統(tǒng)加工成本相關的幾何復雜性而言，這種趨勢更像是紅色曲線。低復雜度意味著低成本，但如果零件對于技術來說太復雜，則成本可能會變得太大，或者由于技術原因而無法制造，此限制用紅色虛線表示 。

如果考慮增材制造（綠色虛線），那么目前生產(chǎn)單個零件是相當昂貴的（位于圖的右側(cè)）。另一方面，高昂的價格不會隨著生產(chǎn)零件的數(shù)量或其復雜性而有太大的變化。假設增材制造中的在兩種情況下與傳統(tǒng)制造業(yè)相比是更具經(jīng)濟效益的：
•可能制造非常復雜的零件
•需要少量的零件

這也意味著，如果選定的部分在圖中綠色區(qū)域的其他位置（生產(chǎn)成本較低，不太復雜，數(shù)量相當大），則不應使用增材制造來生產(chǎn)它們，否則將虧本，或存在與當前增材制造不確定性相關的風險。

增材制造（ AM）有許多優(yōu)點：
•與機械加工相比，優(yōu)化設計可明顯的減少材料浪費。
•由于采用逐層堆疊方法，可以很容易控制加工零件內(nèi)部，因此設計師可以實現(xiàn)比傳統(tǒng)技術更復雜的設計（內(nèi)腔、輕質(zhì)結(jié)構(gòu)、通道等）。
•單步制造消除了制造過程中的工裝，無需模具或特殊裝置將零件放置在機器中。
•能加工聚合物、金屬和陶瓷中的多種材料。
•粗略地說，幾何復雜度不會增加成本。換句話說，傳統(tǒng)技術很難做一個非常輕，有3D網(wǎng)格、集成通道和鏈接的零件，在同等高度和材料體積的立方體塊情況下。
•可以在一次操作中生產(chǎn)制造不同的零件（尺寸、復雜度等），而模具只能生產(chǎn)固定設計的模型。
•一些增材制造技術可以生產(chǎn)由不同材料制成的零件。
•一些功能(彈簧、鉸鏈、齒輪、旋轉(zhuǎn)軸等)可以集成設計，這不需要任何后組裝步驟，而可以直接從 增材制造機器完成 。
•從CAD制圖開始到制作成成品準備使用，生產(chǎn)一個標準體積(300 x300x400 mm3)的周期通常是不到一個星期，它對于早期迭代開發(fā)的產(chǎn)品非常實用，隨后是注塑模具的大規(guī)模生產(chǎn)。
•適應，標簽，紋理，保形冷卻通道，減重，都變得便宜多了。

但當然也有一些局限性需要注意：
•對于小于100毫米的工件，在標準的調(diào)幅機床上可獲得的最佳幾何精度為0.1毫米。超過這個尺寸，必須考慮0.1%。根據(jù)材料、工藝和零件體積的不同，這個值甚至可以達到0.3%。因此，后期處理通常是必要的。
•打印尺寸有限制，例如難以一次打印生產(chǎn)大型零件，如汽車保險杠或桌子。平均而言，目前SLM激光金屬3D打印工業(yè)機器可達到的最大尺寸約為800毫米 。但也有可以生產(chǎn)4000x2000x1000毫米的砂型，甚至有混凝土墻的房屋，或一個由“聚合物+碳”擠出機制造的小型車輛外殼。
•許多AM技術需要支撐結(jié)構(gòu)。粗略地說，這種結(jié)構(gòu)將零件連接到構(gòu)件平臺。它可以防止部件在制造過程中移動。它是由機器和零件本身同時制造的。麻煩的是，這種結(jié)構(gòu)必須在制造后拆除，這需要一個完成步驟來從零件上拆除支撐。該結(jié)構(gòu)在第2.3節(jié)中有更詳細的描述。
•制造完成后，原材料在零件周圍、空腔、縫隙、通道、孔等處隨處見，如果設計沒有考慮到這一點，那么將這種原材料從狹窄的空間中清除是非常困難的（見第2.2節(jié)）。
•有些技術生產(chǎn)具有各向異性機械性能的零件，特別是廉價的機器和“巨大”的層厚（>100μm）。然而，在大多數(shù)AM技術中，這種機械各向異性不是很明顯。


一個好的設計師是AM領域最寶貴的資源。他能夠調(diào)整零件的形狀以滿足要求，而且也能夠考慮到所有有利于制造和后處理的因素。
高效和易于生產(chǎn)的設計是使AM盈利的唯一途徑。

1.2對于復雜形狀的設計有什么指導？
現(xiàn)在，AM正在打開一個可以實現(xiàn)幾何復雜性的全新空間，設計師們變得越來越強大，有點像哆啦A夢：可以制造出大量新奇有趣的東西。但有困難！幸運的是，有一些軟件使得拓撲優(yōu)化成為可能。

為了簡化問題，這種軟件的目標是在給定的可用體積中，分配預定義的材料量，以便通過最大化剛度等標準優(yōu)化對特定荷載情況的響應。這種軟件的輸出是指定體積的體素化，其中每個體素都有一個計算的密度（從最關鍵的體素的100%全密度到參與較少的體素的0%空體積）。然后，用戶選擇應作為觸發(fā)器的密度值。例如，他可以決定觸發(fā)密度應該是50%。密度高于50%的每個體素將被設置為“完全密度”，值低于50%的每個體素將被視為空。這一過程產(chǎn)生具有最佳質(zhì)量分布的非常有機的形狀。然后，必須在FEM中對模具進行測試，以檢查其在施加載荷下的性能。如果沒有優(yōu)化（太脆弱、太重或太�。�，則必須檢查迭代循環(huán)以更改密度觸發(fā)器并考慮更多或更少的材料。圖4顯示了零件重量改進的示例：

圖 4：拓撲優(yōu)化(右側(cè)，白色顯示)的一個傳統(tǒng)的做法(左側(cè)，顯示深灰色)

圖 5：“自上而下水流”的思維方式來預測增材制造中的熱問題

此外，所有制造問題都與過程中通過零件的熱流有關，或者與懸臂部分有關。促進AM組件的制造和減少后處理的一種有效方法，設想水必須在每層的選定位置從上到下自由地流過（想象中的空心）組件。下面是幾個例子。

簡要說明：如果必須制造圖5中的“L”形零件，可以選擇機器中的幾個位置。對于位置1，第一層的橫截面相當大。所以可以提供很多能量來熔化粉末，還有很多能量可以到達平臺。當比較“自上而下水流”時，假設該部分被挖空，使其成為具有相同橫截面的管道。按比例有大量的水需要疏散（因為橫截面很大），如果有大的區(qū)域（大量能量需要分散）或一個收縮的管道低于當前層的某處，可能導致“溢出”（過熱）。這有時是一個危險的情況，但設計和選擇的方法可以處理這個問題。在位置1的下一個步驟中變得更容易（直下，沒有縮頸，很少能量輸入），因此在這個配置中，一切都應該很好，即使早期階段需要仔細檢查。

在位置2，初始層和中間層將非常簡單（恒定截面，較少的能量輸入），但會在最終層造成許多問題。用于排出“溢流”的部分比輸入部分要薄得多。而且，這種變化非常突然，懸臂區(qū)左側(cè)的“水滴”沒有得到適當疏散。根據(jù)“水流”的考慮，在實際過程中這種“水滴”積聚被解釋為熱量積聚，即導致該區(qū)域堵塞，部分部件可能分層或扭曲。

AM設計師的目標是畫出沒有懸挑區(qū)域、沒有積水區(qū)域以及最薄區(qū)域的零件，以減少散熱。

2 AM的主要方面
2.1不同的技術
在增材制造中，有幾種不同的制造零件的方法。美國材料試驗學會目前提供七類。它們都顯示在下圖的頂部：
由于它們的工作方式不同，如果要為選定的方法設計一個零件，每一種方法遵守一些特殊的規(guī)則。讓我們簡單地考慮一下不同的原則：

圖 6：增材制造系列

2.1.1光聚合（SLA）
這種技術的原料是一種液體樹脂，它是一種光敏聚合物。當來自燈或激光的紫外光照射到這種液體時，它就會局部凝固。

這臺機器看起來有點像油炸鍋。首先在液體表面下方(約0.02毫米)放置一個穿孔板，并用紫外線激光跟蹤該組件的核心和平板上第一層的輪廓。從而聚合或固化板孔周圍的液體。因此，第一層錨定在板上。然后，再將板更深地水平放入相同量（約0.02mm）的液體中，以允許一些樹脂在前一層上形成薄膜。然后，紫外激光聚合第2層，并重復該過程，直到生產(chǎn)出所有零件。最后，該板位于樹脂箱的底部，該部分位于液體表面和該板之間。技術員可以把板上面的零件拿出來，就像人們從油鍋里拿出炸薯片一樣。

圖 7：容器內(nèi)光聚合原理，帶激光

圍繞這一原則可以看出一些技術差異：
一個單束激光通常需要很長時間來處理一整個層。因此，帶有紫外線燈的投影儀也可以在一次閃光中處理整個表面。粗略地說，這比激光要快，但根據(jù)投影儀的分辨率，零件的邊緣可能會輕微變形，而激光會使曲線平滑。

一罐和你想生產(chǎn)的零件一樣大的樹脂可能要花費很多錢（一些仿制ABS的樹脂可能要300歐元/升左右）。因此，一些技術人員更喜歡在投影儀所在的透明玻璃上涂少量樹脂。它還使用一個從液體向上移動的板，固體固定在上面，而不是向下進入樹脂罐。

圖 8：帶DLP的容器內(nèi)光聚合

該技術的優(yōu)點是零件保持一定的精度和表面質(zhì)量。表面沒有粘性的粉末顆粒，打印完成后甚至可以透明。變形是很細微的，最小變形可以達到0.1毫米，對于珠寶行業(yè)十分有用。

但是，根據(jù)應用情況，材料的老化可能是一個問題。在陽光下曬一段時間后，這種材料會變得比預期的更脆。
DSM-Somos是主要的增材制造的樹脂制造商之一，可以提供各種不同性質(zhì)的材料。相關的數(shù)據(jù)表也可以在他們網(wǎng)站上找到。

2.1.2材料擠出（又名熔融沉積模型——FDM）
這項技術的工作就像牙膏涂在牙刷上一樣。原料是一種普通的聚合物（聚乳酸，ABS，PP，PS等），通常呈線狀，通過加熱的噴嘴進行機械施壓。這會使聚合物稍微熔化。在出口處，熔珠被壓在前一層上，打印頭在工作區(qū)內(nèi)移動以打印軌跡。該零件是通過堆疊軌道生產(chǎn)的。

圖 9：帶DLP的容器內(nèi)光聚合

這項技術非常適合生產(chǎn)空心零件，如管道、外殼或外殼。主要原因是噴嘴的位移速度，與反射鏡驅(qū)動的激光點相比，噴嘴的位移速度非常有限，后者可以達到每秒幾米。為了達到合理的生產(chǎn)速度，增材制造系列擠壓材料比其他增材制造聚合物技術沉積更厚的層（>0.1 mm），并盡量減少填充組件芯，即使它需要做很少的外部輪廓。因此，目標不是要生產(chǎn)出一個完整、致密的零件，而是要生產(chǎn)出一個足夠厚、能夠產(chǎn)生足夠強度的外殼。該工藝允許在負載情況允許的情況下更快地生產(chǎn)批量和大量組件。

使用金屬絲代替粉末的優(yōu)點是表面光潔度，即使層跡清晰可見且具有顯著的粗糙度，表面也相當光滑。

圖 10：AM中的典型粗糙度分布（線基或粉末基工藝

此外，由于不存在粘性粉末顆粒，因此表面非常干凈，不存在松散的材料殘留物。
但是，材料擠壓所能達到的最小精度并不是很夠。與其他AM聚合物技術相比，很難找到小于1mm的最小壁厚，并且力學性能的各向異性也非常明顯。
這些擠出技術應用的材料非常廣泛。甚至還有一些復合電線（聚合物+纖維或金屬粉末混合），有些技術還可以直接使用注射成型或金屬注射成型（MIM）的顆粒。

2.1.3材料噴射
其目的是沉積感光液體材料（聚合物），就像紙打印機使用傳統(tǒng)墨水一樣。在機器內(nèi)部有一個打印頭，可以像素化圖層，并選擇哪種材料存放在哪種像素。由于它是一個多噴嘴打印頭，其中一些可以沉積白色和強大的材料，而其他可以沉積黑色和韌性材料。在新技術中，最多可以同時使用六種材料，包括透明材料。

圖 11：材料噴射原理

這允許用戶設定任何體素的一部分的化學成分、機械性能、顏色、透明度等。

由于沉積液滴很小，因此所需的支撐結(jié)構(gòu)非常致密和狹窄，以支撐從打印頭上落下的樹脂液滴。它看起來更像是一個“泡沫”，而不是網(wǎng)格/三維網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。因此，與所需支撐數(shù)量相比，采用該技術浪費的材料非常多。幸運的是，這種特殊的支撐材料可以很容易地被水射流移除，即使這種材料非常膨脹。

材料性能與立體光刻/容器內(nèi)光聚合中使用的所有環(huán)氧樹脂/丙烯酸酯樹脂相同。由于紫外線照射，材料的老化仍然是一個問題；隨著時間的推移，零件會變得更脆。
由于校平（層厚小于14μm），該工藝在Z方向的精度非常好，與激光的平滑輪廓相比，XY平面中的輪廓略微像素化（約600 dpi分辨率）。

在使用這種技術時，幾乎沒有影響精度的現(xiàn)象。其優(yōu)點是非常容易處理；不需要工程知識；幾乎所有的設計都是自動化的（包括支撐生成），適應性強。

2.1.4粘結(jié)劑噴射
粘合劑噴射包括在每一層和兩個連續(xù)層之間將粉末顆粒粘合在一起。粘合劑/膠水以小液滴的形式從打印頭上沉積下來，可以在整個工作表面上移動。

圖 12：粘合劑噴射原理

有時可以在與粘合劑平行的部件輪廓上涂上顏色。

這適用于白色粉末，如石膏。即使零件在打印完成后狀態(tài)下是易碎的（大約40%的孔隙率，取決于粉末的大小和分布），對于一些不需要強度的美學演示來說，這可能就足夠了。零件可以通過涂覆固化涂層（如樹脂或清漆）進行加固。

有些金屬零件也是這樣做的。為了消除粘合劑表面的弱點，有兩種選擇：一是零件打印完成后在爐中燒結(jié)。燒結(jié)是一種熱過程，使粉末顆粒之間的間隙稍微縮小。由于在燒結(jié)過程中不添加任何材料，所以會出現(xiàn)明顯的收縮（體積減少20%以上）。如果零件很小，則可以對該過程進行控制和補償，使最終幾何圖形非常接近原始CAD模型。對于較大的零件，由于收縮而產(chǎn)生的位移非常明顯，因此會發(fā)生變形，并且零件很快超出公差范圍。優(yōu)點是材料方面比較單一，精度和表面質(zhì)量都比較好，但幾乎只適用于小零件(< 50mm)。

第二種選擇是滲透多孔“填充”材料，為此選擇合適的滲透劑。這就需要一種熔點比3D打印材料的熔點低的材料，并且二者在高溫下具有良好的潤濕性。比較良好的組合如：用316L不銹鋼制成的零件，滲有青銅。由于滲有其他物質(zhì)的特性，在高溫下表面易會融化。由于后者是多孔的，并且具有良好的潤濕性，滲透可以通過毛細作用穿透該組分，并填充粉末顆粒之間的所有間隙，以獲得良好的最終機械性能。這大大減少了收縮，可以生產(chǎn)更大的零件。由于熱熔發(fā)生在熔爐中，加熱和冷卻速度很慢，從而將內(nèi)應力降至最低。這種方法允許生產(chǎn)更大的零件（高達800毫米），體積更大的零件。缺點是“復合方面”（不是單一材料）和粗糙度類似于砂型鑄造。

2.1.5粉末床熔合
在這種情況下，目的是用能量束（激光或電子束）選擇性地熔化粉末層。當能量點在粉末上移動時，形成一條焊接路徑。這樣，就可以覆蓋所有組件區(qū)域。完成一層后，工作板向下移動一段與該層厚度相對應的距離（30-90μm），并用刮片涂抹新的粉末層。在標準的機器上運作時，每層的平均處理時間在30秒到2分鐘之間（取決于融化面積的比例），重復該過程，直到零件完全制造完畢。

2.1.5.1激光熔化金屬粉末（LBM）

圖 13：粉末床熔合（激光金屬）原理

由于這一原理，熔化池的冷卻非�？欤ㄒ环N局部淬火），導致金屬中的高熱應力。如果不解決這個問題，部件會因這些應力而變形。為了防止零件扭曲，必須將其固定在足夠堅硬或厚而不會彎曲的剛性板上。零件與板材之間的連接為“支撐結(jié)構(gòu)”，由機器在加工過程中與零件同時制造。其目的是創(chuàng)造一種犧牲結(jié)構(gòu)（由與部件相同的材料制成），其強度足以避免變形，但在消除應力退火后易于機械移除。這種熱處理是在打印完成后進行的。所有部件仍固定在底板，被放置在一個傳統(tǒng)的熱處理爐中進行循環(huán)應力消除。

這一步如果控制得當，將沒有殘余應力殘留，零件幾乎沒有變形。然后，必須使用機加等手段拆除支撐結(jié)構(gòu)，如果支撐太多，則需要花費時間和成本。
激光熔融金屬3D打印，可以制造出良好的金屬零件，最小壁厚約0.2毫米。表面光潔度和零件密度好，可用材料范圍大，機械性能大致位于鑄造和鍛造之間（甚至達到鍛造水平）。

缺點是支撐結(jié)構(gòu)。零件越大，就需要更多的支撐來防止變形，特別是當截面在水平面（收縮截面）較長時。在標準機器（SLM Solution的SLM 800）上，激光技術可以達到的打印尺寸為500x280x800 mm。也有一些特殊的尺寸，例如來自GE的BETA（ATLAS項目-1100x1100x300 mm）。

2.1.5.2電子束熔化金屬粉末（EBM）
如果熱源是電子束，就有一些明顯的區(qū)別。首先，電子束是在真空條件下。因此，機器結(jié)構(gòu)比激光技術強得多；激光技術主要是在氬氣氛下。真空也可以達到很好的隔熱作用。機器在打印成型倉內(nèi)達到700-1000°C。這導致生產(chǎn)過程中幾乎“無”冷卻，即“無”熱應力。因此，與通常在200°C下工作的激光技術相比，該工藝需要的支撐要少得多。其主要任務是驅(qū)走熱量，而不是避免變形。這允許制造更大的零件，但材料范圍更為有限（鈦、鈷鉻合金和鎳合金）。

電子束的缺點是周圍粉末的燒結(jié)（通過高溫預熱），和激光技術相比，表面質(zhì)量差點（Ra20-35μm）。未完全熔融的燒結(jié)粉末更難從內(nèi)腔中去除，因為未經(jīng)改變的粉末很容易通過傾斜而離開零件。

2.1.5.3激光熔化聚合物粉末（SLS）
粉末床應用于PA、TPU、PP、PS等高分子材料時，無需支撐。這是因為燃燒室內(nèi)的溫度約為熔點的95%。因此沒有冷卻，即沒有熱應力。以至于零件周圍的燒結(jié)粉末足以作為支撐。直接的優(yōu)點是零件可以堆放在打印成型堆中，從而提高生產(chǎn)率。此外，不需要拆下焊接到零件上的支撐。然而，去除部件周圍的燒結(jié)的粉末可能會很繁瑣，特別是在狹窄的空腔中。

圖 14：選擇性激光燒結(jié)原理

此外，加工過程中機器內(nèi)部的高溫加速了原料的老化。例如，新一批粉末通常是50%原始粉末+50%回收粉末的混合物，用于PA12。20%新+80%回收對TPU更好。當然，還有一個成本因素。

設計師嘗試將粉末床熔合應用于金屬粉末的目的之一是，通過設計一個沒有向下水平表面的部件來擺脫支撐(見2.3)。換句話說，就是要設計一個沒有橫截面的自立式設計。

2.1.6定向能量沉積
這是一種和銑床完全相反的方法。銑床是把材料去掉，而定向能量沉積是增加材料。安裝在機器人或CNC機器上的多軸噴嘴將安裝指定路徑焊接在一起，從而開始制造零件；也可以修復或覆蓋現(xiàn)有的零件。原料可以是粉末或絲材，包括金屬或陶瓷材料。下面是熔化溫度高的材料的熔融沉積模型。

圖 15：定向能量沉積原理

一個好的方面是，這項技術可以在非平面上工作。這使得厚涂層(從0.1毫米到幾毫米)或3D功能可以應用或添加到復雜的部件。

此外，使用通過噴嘴吹出的粉末流，而不是使用刮片進行粉末的分配，具有改變材料組成的優(yōu)點。不同閥門可以調(diào)節(jié)來自不同容器的粉末流，以便在制造過程中逐漸混合。這造成了不同CTE的合金，如金屬和陶瓷，可以焊接在一起。這是通過在一定層數(shù)上的兩層之間的平滑過渡來實現(xiàn)的，這會稀釋產(chǎn)生的應力強度。
該技術在刀具可及性方面與傳統(tǒng)銑床具有相同的局限性。一般來說，噴嘴和零件之間的距離小于15 mm。因此，填充深槽或內(nèi)腔內(nèi)部可能很困難。

另一點是制造過程中熱量變化。當零件變熱時，下部的特性與上部的不同。根據(jù)零件的不同，這可能重要，也可能不重要。
制造過程中的穩(wěn)定性很難實現(xiàn)。這可能是它在基于傳感器測量實現(xiàn)閉環(huán)控制的原因。

2.1.7片層壓
這是增材制造中不太常見的技術。其目的是切割具有所需形狀（要生產(chǎn)的部分）的材料（聚合物、金屬、紙張等），然后將其堆疊并連接在一起。因此，它是減法和加法制造的混合體。
這是一種廉價且清潔的技術（空氣中沒有粉末或化學蒸汽）。但與其他技術相比并不十分流行。

2.1.8總結(jié)
要選擇好的增材制造技術，必須按照優(yōu)先級順序考慮不同的零件需求。各方面都達到標準是很難的，所以這是一個尋找最佳方案的過程。此外，在這個選擇步驟中沒有什么是簡單的，需要對比。

然而，如果要從上面描述的技術中進行選擇，提出一個（非常粗略的）指南，基于最重要的需求選擇，它可能如下：

• 最佳表面光潔度：樹脂打印是最好的，然后是選擇激光基材料（金屬或聚合物）。
• 制造大型的零件：避免快速和強烈冷卻的熱過程。
• 制造高精度的零件：激光技術（先是樹脂，然后是粉末）
• 簡單的后處理：避免使用需要支撐的技術。特殊情況下，材料中的支撐不是零件本身的材料，可能更容易移除。
• 尺寸巨大的零件:可以考慮定向能量沉積或帶滲透的粘結(jié)劑噴射。或者，考慮將零件拆分打印后，再組裝。
• 對外觀要求好（無特殊機械用途）：材料噴射技術，由于可以有顏色，是良好的選擇。
• 高效的零件：如果大量使用聚合物，成本會很低。因此應該考慮SLS和FDM。光固化3D打印技術是第二選擇（因為更脆）。對金屬來說，一切都很好，但成本高。
• 內(nèi)腔干凈光滑：避免打印完成后，零件周圍產(chǎn)生大量粉末的技術；在緊密的地方很難去除。支撐的設計調(diào)整也很關鍵。
  

每年制造100000個大于300 mm的零件：AM不是一個好的選擇。
把一個簡單的結(jié)構(gòu)做成一個大立方體：AM不是一個好的選擇。


2.2殘余材料
如前一節(jié)所述，3D打印技術種類很多。所使用的材料可以是不同的形態(tài)：粉末、液體、板、線、墨水等。

特別地，在比較熱的環(huán)境下工作的一些3D打印技術（選擇性激光燒結(jié)-SLS，電子束熔煉-EBM）會導致零件周圍粉末的燒結(jié)；意味著粉末顆粒在表面熔化并粘在一起，就好像它們在顆粒之間的所有接觸區(qū)部分焊接一樣。這種狀態(tài)的熱應力粉末被稱為“蛋糕”，制造的零件被包裹其中。粉末顆粒之間的結(jié)合力很強，要從狹窄的內(nèi)腔中清除蛋糕是相當困難的。

一些插圖顯示了粉末如何在SLS打印中包圍零件，以及清理復雜結(jié)構(gòu)的困難。

圖 16：SLS過程結(jié)束時的原材料去除步驟

有時去除殘余材料的目的是使零件盡可能變輕，但也可能是出于衛(wèi)生和安全的原因，例如在醫(yī)藥或航空航天領域，零件在工作過程中不應釋放任何殘留物（粉末顆粒、樹脂滴等）。這是一件非常重要的事情，從設計階段就要注意。

最明顯的例子是在模具嵌件中構(gòu)造一個非常復雜（經(jīng)過優(yōu)化）的冷卻通道。設計師可以花數(shù)小時模擬，找到理想的形狀，以便在注射步驟后以最佳方式散熱。但如果他在生產(chǎn)過程中沒有處理好填滿整個渠道的原材料，那么他昂貴的設計將無法使用，大部分的設計都將白費。例如，如果這個模具是由粉末金屬制成的，通道直徑約為1毫米，但長度超過2米，怎么可能從這個非常長和狹窄的通道中去除金屬粉末？在設計階段要考慮的基本問題是如何在打印完成后去除殘余材料。這里有一些例子說明了“殘余材料問題”。

想象一下，使用激光熔化技術（如SLS）將粉末制成一個簡單的立方體，立方體是空心的：

圖 17：將要生產(chǎn)的空心立方體

對于第一層，粉末分布在整個表面上，立方體的整個正方形區(qū)域都熔化了（下圖中的紅線）：

圖 18：當?shù)谝粚颖恢圃鞎r，所有區(qū)域都被激光加工

當?shù)竭_零件中間時，只有垂直壁被激光處理，其他粉末像往常一樣分布在整個表面上：

圖 19：中間層制造時，側(cè)壁被激光加工

最后，用激光再次處理整個區(qū)域，就像第一層一樣：

圖 20：最后一層的處理密封立方體

在最后一張照片（圖20）上，很容易看到大量原材料仍被困在立方體內(nèi)部。很明顯的，在制造完成后，立方體外殼沒有出口來移除這些被困材料。在這種情況里，它是粉末；但問題也會發(fā)生在樹脂、板材、絲材……因此，在設計階段考慮殘余材料是非常重要的，否則空心立方體將比預期的要重得多。但僅僅考慮如何去除原料是不夠的。有時出口太窄，或者由于內(nèi)部配置不可能移除所有部件，或者有時不允許在部件的內(nèi)部和外部之間有出口。下面是一些例子來說明或?qū)�或錯的設計。

在下面的例子中（圖21），為了避免對設計造成太大的影響，我們制作了一個簡單的小孔……。但技術人員將需要更多的時間來移除內(nèi)部原材料，因為通道出口的原因，最終將花費更多的時間。此外，立方體鋒利的內(nèi)部邊緣很好地鎖住了這些區(qū)域的粉末，并且需要一根鐵絲嘗試刮去這些區(qū)域的粉末。最后，如果技術人員想用真空吸塵器吸出粉末，這是非常困難的，因為沒有其他出口允許空氣流通零件來清除原料。因此，第二個想法可能比第一個好。第三種選擇可能是立方體周圍有很多較小的孔，粉末可以通過這些孔離開零件而不會堵塞零件。

圖 21：考慮“更容易清洗”的設計修改

如果內(nèi)部形狀不是一個“簡單”的體積，而是一種復雜的通道，那么就需要幾個出口，且形狀要便于拆卸。就像增材制造一樣，設計者的目標是不使用傳統(tǒng)設計的思維，從要設計部件的功能出發(fā)，使設計適應AM的要求。圖22是與傳統(tǒng)設計相比的“功能”方法設計示例：

圖 22：從組件功能開始的設計過程。傳統(tǒng)與AM設計方法的比較

傳統(tǒng)工藝，材料是從一整塊物體中去掉不需要的部分。為了更輕，可以選擇制造成空心。但傳統(tǒng)的設計在3D打印完成之后很難清理。因為在3D打印中，是從零開始制造，嘗試去除空腔，產(chǎn)生一些功能性的、易于清潔的結(jié)構(gòu)，并盡可能簡單，類似于圖22所示的最后一個設計。

在AM中，設計者可以將一些活動部件（如鉸鏈、旋轉(zhuǎn)軸或彈簧）集成到1個設計中，從而減少裝配步驟，并在打印過程中直接組裝這些部件。關鍵是基于活動部件之間的間隙（約0.4 mm，與所選技術相關），間隙盡量要小，讓活動平穩(wěn)準確。當然，一些殘留材料會填補空隙。如果沒有出口，就不可能把鉸鏈打開。
下面是一些例子：
對于球頭，為了減少內(nèi)外殼之間的間隙，建議在外殼上穿孔以去除任何剩余的殘留材料，如下所示。

圖 23：外部組件中帶有殘留粉末排出通道的球頭

如果需要長旋轉(zhuǎn)軸穿過塊體，建議考慮制造成可調(diào)節(jié)的間隙和軸中心的可接近性，如下所示：

圖 24：采用排粉方法的車軸設計

當然，清洗原材料的最麻煩的情況是清洗換熱器或大型格子結(jié)構(gòu)。必須事先進行一些初步試驗，以測試某些樣品的清潔度。下面是一些復雜但可清洗部件的示例：

圖 25：內(nèi)部已成功清洗的復雜零件示例

總之，制造后需要去除的材料很多。有經(jīng)驗的技術人員可以在AM過程找到好的方法來清理，但這可能很昂貴而且不一定清理成功。一般都是由經(jīng)驗豐富的設計師來提出最佳方案，這樣可以節(jié)省時間和成本，同時提高零件的整體質(zhì)量。每一個解決方案都是實踐經(jīng)驗積累出來的。

2.3支撐結(jié)構(gòu)
比較麻煩的是，在增材制造中往往需要支撐結(jié)構(gòu)。它是指一種類似于支撐的輕型結(jié)構(gòu)，在制造過程中支撐零件，并且與零件的制造是同時進行的。
圖26顯示了具有支撐結(jié)構(gòu)的零件的一些示例：

圖 26：支撐結(jié)構(gòu)與實際零件體積的比較示例

這種結(jié)構(gòu)（圖27左下角的深紅色）完全由零件的位置確定，并與其設計相關。支撐將從零件底部延伸到打印平臺；由圖27中的棕色/黃色平面表示。基于機器體積空間中的初始定位，有色區(qū)域?qū)⑿枰�支撐，因為它們被視為“水平”。粗略地說，這意味著它們與垂直方向（機器的Z軸）的法線角度小于30°：

圖 27：根據(jù)選定的零件方向，需要支撐的突出區(qū)域

所需要的三維文件可以用專門開發(fā)的軟件支撐結(jié)構(gòu)有三個主要作用。
所支持的三維文件可以用專業(yè)軟件自動、快速生成，然后由機器進行零件的加工處理。然而，需要一些專業(yè)知識來設置參數(shù)，并使其更有效地快速的進行后續(xù)流程，并確保流程的穩(wěn)定性。

2.3.1增材制造為什么需要支撐？
•支撐層：
讓我們從一個例子開始。如果目標是基于液體材料（樹脂）產(chǎn)生的150 mm寬的“T”形，則水平桿的第一層高度為0.02 mm，寬度為150 mm。它是如此的薄，當刮取水平的液體表面，這個非常薄弱的層會發(fā)生完全變形。為避免變形，第一層形成的腳手架作為所有“水平”表面的加固。

圖 28：支撐加固第一層

圖29是專門用于支撐作用的支撐示例：

圖 29：SLA過程中實際支撐加固部件的示例

圖30顯示在FDM中，在懸臂/水平截面下放置的支撐結(jié)構(gòu)不足時發(fā)生的情況。

圖 30：缺少支撐對懸壁區(qū)域的影響。越長效果越差

•向下排出熱量
在熱熔過程中，熱源（電子束、紅外激光束、加熱電阻等）通常會熔化粉末，使局部顆粒熔化成液態(tài)，并匯合大塊形成連續(xù)層。為了凝固，必須在熔化后必須散熱，但由于顆粒間存在著氣體，導致粉末材料非常接近隔熱層。由于零件被粉末包圍，散熱非常慢且不均勻，導致熔體質(zhì)量非常差。支撐結(jié)構(gòu)是一種固體、無孔的材料，即為很好的熱導體，它讓熱能很快傳遞，然后機器本身的其余部分熱量被排出。

圖31是未添加支撐的區(qū)域的一個示例，導致局部過熱/過度熔化。由于能量過剩，洞的上部坍塌了。在圖像的左側(cè)，參數(shù)是恒定的。在右側(cè)，控制（減少）熱輸入以減少過多的熔體效應：

圖 31：由于支撐結(jié)構(gòu)缺失，熱疏散不良，導致部分坍塌

圖32顯示了對于給定的參數(shù)標準，在保證曲面質(zhì)量如何時，不帶支撐的最大水平長度（“懸壁區(qū)域”）：

圖 32：由于缺乏支撐，懸挑長度對下表面質(zhì)量的影響，導致散熱不良

如果懸臂區(qū)域足夠小，熱通量可以很容易地分散附近的垂直柱。當區(qū)域增大時，導熱流動距離過長;熱量積聚，最終導致過熱。
圖33結(jié)果表明，由于重新熔化和散熱不良，尤其是在金屬粉末床熔化過程中，表面無支撐且離水平面越近，表面質(zhì)量越差。

圖 33：表面方向?qū)Ρ砻尜|(zhì)量的影響

•避免熱過程中的變形
用帶有熱源的金屬粉末生產(chǎn)零件，意味著在接下來的加工過程中，最初的層被強烈壓縮。簡單的說，接下來的層在制造后冷卻時會自然收縮，這就造成了之前的層被壓縮。這意味著零件在水平面上的時間越長，壓縮力就越大，而壓縮力與熔化的焊接材料所連接的兩點之間的長度成正比。
作為一個例子，圖34顯示了從上面看到的兩個不同的層配置。在左側(cè)，焊接區(qū)域相當�。ň植磕芰枯斎氩惶�大），且不太長，無論方向如何（所以，收縮很�。�。在右邊則相反，會產(chǎn)生更多的殘余應力。

圖 34：兩種不同層配置的俯視圖

如果不采取任何防護措施，則這些壓縮力會使零件變形。開裂或分層幾乎總是從零件的外邊緣開始。因此，在熱（尤其是金屬）AM工藝中，尤其是在寬大零件的外緣，支撐相當堅固，零件和剛性制造板之間有很強的連接。這樣，由于其強度，如果支撐足夠堅固，底板可以防止零件在加工過程中發(fā)生變形。在生產(chǎn)和去除粉末之后，零件仍然焊接在上面，可以在爐中進行熱處理，以降低內(nèi)應力。經(jīng)過這個后處理，零件可以割下來而不發(fā)生形變。

圖35顯示了一些結(jié)構(gòu)的例子，這些結(jié)構(gòu)的強度不足以承受產(chǎn)生的殘余應力。它們在生產(chǎn)過程中斷裂，從而使零件發(fā)生了形變。

圖 35：由于支撐結(jié)構(gòu)薄弱，無法抵消內(nèi)部熱應力，導致零件在加工過程中分層

所有這些例子都表明，需要使用支撐，以便從需要支撐的3D打印技術中獲得準確和高質(zhì)量的零件（即，除了粘合劑噴射和高溫下聚合物的激光燒結(jié)）。

2.3.2我們?yōu)槭裁匆�去除支撐�?/font>
打印完成后必須拆除支撐，也會出現(xiàn)一些問題。特別是當部件不均勻時，強力支撐可防止變形并改善制造條件。但弱支撐更容易移除，從而降低了組件的總體成本。然而，這項工作很有可能會出現(xiàn)問題失敗，尤其是使用韌性較低的材料（如高碳化物鋼）或散熱性較低的材料（如鈦）。

在3D打印聚合物技術中，如材料擠出（也稱為熔融沉積模型）或材料噴射，由于使用多種材料的可能性，一些支撐載體可能會很快地在水中溶解。在這些情況下，支撐只會產(chǎn)生額外的材料成本，而不會產(chǎn)生額外的后處理費用。

但當使用金屬材料時，支撐和部件是由相同的材料制成的，并被牢固地焊接在一起。
在這種情況下，支撐更難拆除。當夾具、鋸、鑿子和錘子不合適時，則需要一個加工中心來處理這種情況。

根據(jù)初始設計和定位，可能需要在很難進入的零件區(qū)域（如內(nèi)腔）提供支撐。使用外部工具可能無法接近這些位置，因此支撐將不可避免地留在那里。這會產(chǎn)生一些問題（重量增加、零件工作期間內(nèi)粉末釋放的危險……），有時則不會出現(xiàn)問題（零件設計中包含的支撐）。下面是一個支撐留在在單個開口零件中的示例，因此很難移除。因此應研究解決方案以避免這種情況。

圖 36：設計調(diào)整示例，以便于加工后拆除支撐

為了避免變形，支撐必須與零件連接良好。在拆卸過程中，支撐的一些碎片留在表面上是很常見的。此外，曲面并不總是平坦的（這將在后處理中發(fā)揮作用），但有時非常復雜。在這種情況下，很難在這些表面上獲得完美的光潔度。

圖 37：支撐連接對區(qū)域表面質(zhì)量的影響-1

圖 38：支撐連接對區(qū)域表面質(zhì)量的影響-2

因此，可以按照零件的對齊方式選擇不同的解決方案。
首先是向上移動關鍵區(qū)域。這使得它們在打印狀態(tài)下不那么粗糙。但另一面的表面將會導致不規(guī)則，有時這是可以接受的。
另外，重要的區(qū)域可以重新加工以提高整體質(zhì)量。但是這會增加額外的厚度。因此，它們可以向下對齊，與支撐接觸。另外，其他表面的質(zhì)量也會更好。

2.3.3設計師能做什么？
設計人員在生產(chǎn)零件時，不應該帶有額外的支撐結(jié)構(gòu)，如果他們能夠減少制造零件所需的支撐，他們也可以大大降低成本。他們只需要盡量避免從下面向上看的水平表面，使制造的時候盡可能以本身部件作為支撐，以避免后處理的時候去除支撐結(jié)構(gòu)。粗略地說，與水平面相比，建議保持在45°角以上，如圖39所示。當然，如果可以取大于45°的值，則可以提高表面質(zhì)量。

圖 39：AM中的主要設計提示。盡可能“垂直”地設計零件

以下是一些精美的例子：

圖 40：“垂直”設計，特別適合AM，減少了對支撐結(jié)構(gòu)的需求

由于長直且連續(xù)的焊接材料產(chǎn)生的應力比短的應力大得多，建議在水平面上最大長度（>100 mm）進行劃分（取決于最終部件對齊）。這意味著需要更輕的支撐，從而減少后處理步驟和成本。

圖 41：在較短的節(jié)段中重新設置長度，以避免導致彎曲的高應力（與直線長度成比例）

綜上所述，在支撐結(jié)構(gòu)方面，最適合增材制造的是那些均勻且薄或在每個水平截面上分成薄島的模型。生產(chǎn)垂直方向比較長的組件也更容易，因為它們可以在制造時進行在自我支撐。

2.4表面質(zhì)量
表面質(zhì)量與幾個特征有關。它會受到原材料形態(tài)（粉末顆粒可以粘附在表面，液體不能）、工藝偏差（例如局部過熱）、所選部件對齊（影響支撐結(jié)構(gòu)）以及所應用的層厚度的影響。

2.4.1原材料的影響
以粉末為原料時，其表面粗糙度通常高于其它材料形態(tài)。這與處理零件邊界的方式有關。在粉末床技術中，可以用粘合劑將顆粒粘在一起，也可以用熱源熔化顆粒。由于原材料的不連續(xù)性，表面會不如預計中的清晰。下圖顯示了組件表面區(qū)域的縮放。

圖 42：部分熔融粉末顆粒對表面的影響，粗糙度增加

在熔化/粘合過程中，所有受影響的粉末顆粒都留在表面上，并產(chǎn)生與所用粒度范圍成比例的粗糙度。根據(jù)粉末形態(tài)和層厚，雙峰之間的距離可達200微米。
這些圖片說明了實際狀態(tài)：

圖 43：金屬粉末的粉末床熔化過程的實際表面形貌

如果使用液體（如樹脂）作為原料，由于液體的連續(xù)性，上述情況幾乎不存在，而且表面要光滑得多。在下圖中，在SLA 3D打印零件的表面上產(chǎn)生一些鋸齒。與工藝參數(shù)相關的“臺階效應”在厚層中清晰可見。然而，表面非常光滑，沒有不規(guī)則的地方。因此，SLA部件甚至在剛從機器中制造出時也可以是透明的。

圖 44：層厚對表面質(zhì)量的影響，主要是“臺階效應”

在“液滴分離”的樹脂技術中，表面不太光滑。等高線有點不太平滑，更像“虛線”，但與其他原理相比，質(zhì)量仍然很好。
FDM中每一層的輪廓都是光滑的，但是每一層都有相當大的粗糙度（見圖10）。這主要是因為最大最小之間的層厚至少為0.1 mm。這里是一個實例，它比較FDM和SLA中具有相同層厚0.1mm的部分，且這兩部分在這兩種情況下都是都位于一個小組件上（這對SLA有利，而對FDM不利）。

圖 45：制造方式選擇的影響。層厚相同：左側(cè)FDM，右側(cè)SLA

使用鈑金的技術的表面質(zhì)量與原材料相關，而原材料的表面質(zhì)量又取決于鈑金輪廓的切割方式。

2.4.2工藝偏差的影響
這是指在生產(chǎn)過程中相當穩(wěn)定的一些過程。例如使用樹脂（SLA，材料噴射）或粉末粘合劑（粘合劑噴射）的工藝。但對于熱過程來說，這是不一樣的。這可以從熱過程中得到解釋。熱量就像液體一樣從熱點（如熔池）流向冷點（如機架，通過底板）。溫差越大，移動越快。而且熱量在大塊材料中的流動速度也比通過粉末的速度快，氣體在粉末顆粒之間充當隔熱層。基于這些簡單的考慮，就會很容易明白為什么會在3D打印期間更改一些設置：

如果生產(chǎn)的零件由幾個小零件和一個大零件組成（圖46），激光加工第一層比最后一層需要更多的時間。這決定了最高部分兩層之間的冷卻時間，底部較長，頂部很短。這會導致熱量積聚，從而導致過熱，上部區(qū)域可能比下部區(qū)域有更多的缺陷（球形氣孔）。這當然可以同時適用于多個部位，也可以應用于沿制造方向具有可變截面的單個部位。

圖 46：層密度變化對熱過程的影響

圖 47：長(下)和短(上)冷卻時間之間的過渡線在小零件的制造結(jié)束后

由于部件對齊，也可能出現(xiàn)類似 “收縮線”的缺陷。當來自下面的兩個單獨的細（柔性）分支之間存在連接時，就會發(fā)生這種情況。在連接之前，收縮發(fā)生在各個分支的“小”部分，沒有特殊的幾何偏差。但是在連接層，要焊接的部分會比較大（兩個分支的橫截面相加）。因此，收縮更為重要（與長度成比例），并將分支的尖端拉在一起。

由于分支很柔韌(又長又細)，它們會彎曲，在這一層會發(fā)生局部的幾何收縮。下一層不會出現(xiàn)這種現(xiàn)象，因為已經(jīng)建立了連接。所以，只剩下一條水平收縮線。這些步驟如圖48所示。

圖 48：生成“收縮線”的連續(xù)步驟

最后，如果在某個特定位置進行大面積加工，由于過度的熔化可能會在局部產(chǎn)生額外的材料堆積。如果是這樣，在鋪粉末時，可能會造成輕微損壞。這種情況會導致較厚的粉末層熔化不均勻，在零件上是可以看見的。它看起來像一條收縮線，但實際上是由于粉末分布不均勻造成的。

圖 49：由于局部粉末分布不均勻，導致熔體質(zhì)量差，可以看見明顯的線條

2.4.3層厚影響
當然，層厚越大，表面就越粗糙。但這個形成的過程很快。因此，必須在最終質(zhì)量和成本與時間方面做出妥協(xié)。以下是相同技術具有不同層厚的一些示例：

圖 50：50層厚對表面質(zhì)量和制造時間的影響

如果層厚度低于80μm，“階躍效應”對表面質(zhì)量的重要性往往小于粉末粒度。對于粉末顆粒較大的技術，因此不建議使用較小的層厚度來提高表面質(zhì)量。
此外，幾乎水平的表面上的“臺階效應”變得更加明顯，這是由于幾何原因造成的。

圖 51：由于零件幾何形狀而產(chǎn)生“臺階效應”的區(qū)域

2.4.4設計如何結(jié)合表面質(zhì)量？
熱源3D打印機，從表面粗糙度來看，最高頂部和最深谷底部之間的距離大約為0.2 m m，粉末范圍在20到60μm之間。這意味著如果進行后處理操作以在表面上產(chǎn)生鏡面拋光（無孔），然后，必須在后處理（機加工、摩擦拋光、電化學拋光等）中去除約0.2 mm厚的表皮。因此，如果“表面零孔”特性對預期應用非常重要，則應將設計中考慮這種額外厚度。

但不是所有的零件表面都需要這樣的精加工。在這種情況下，第一步是重新定義每個曲面所要求的質(zhì)量。在過去，人們并沒有意識到公差的重要性，從而引發(fā)了安全事故。因此要必須解決這一問題，因為從那時起就沒有對公差進行要求。如果公差可以放寬，則需要較少的返工，部件將變得更便宜。
通常，整個組件的“竣工”質(zhì)量是針對特定AM技術而批準的，只有少數(shù)需要密封或連接到另一部件的關鍵區(qū)域是需要機加工后處理。
為了避免任何可能的工藝偏差，目的是幫助確保每個部分具有相同的待加工區(qū)域，并且盡可能均勻，而這做起來比較困難。
在不改變機器參數(shù)和設計的情況下，管理“階躍效應”的唯一方法是改變部件的對準方式，將零件的粗糙度轉(zhuǎn)移到其他地方。

2.5準確度
準確度也是AM中的一個重要話題。如前幾節(jié)所述，在制造過程中會出現(xiàn)許多現(xiàn)象，這些現(xiàn)象可能導致變形（由于冷卻或聚合而收縮、內(nèi)部應力導致分層、激光穿透床層等）或表面質(zhì)量差（粗糙度高）。鑒于此，無論零件形狀如何，用最精確的標準技術很難保證幾何精度優(yōu)于0.1%。通常，考慮0.2%的精確度是明智的選擇。這意味著尺寸為100 mm的零件的長度為100±0.2 mm。如果一切順利，這些公差是允許的。但是，如果存在問題（例如，由于高殘余應力導致的柱分層），則局部變形可以達到更高的值。

設計師可以在重要的區(qū)域增加額外厚度，然后對其進行加工，以達到最終公差。但這會增加成本，尤其是當零件遠離幾何/立方時。此外，對于有機/優(yōu)化形狀，將其固定在銑床（無平面）中或設置坐標的參考坐標系要困難得多。

當然，為了有助于后處理步驟，設計師可以添加一些臨時功能，使其更容易修復零件，以及加固材料，以避免加工“細長”結(jié)構(gòu)時可能出現(xiàn)的振動，這在AM中是很典型的解決方法。

這就是為什么最近市場上出現(xiàn)了另一種工具：模擬熱過程的AM軟件。各種可用的商業(yè)解決方案使計算時間非常合理�？梢酝ㄟ^計算來評估機械變形和熱過程（基本上是機械 性能）。如果生產(chǎn)可能因為意外的支撐分層而在生產(chǎn)三天后失敗，則這種類型的復雜計算可以阻止生產(chǎn)的開始。

有了這個工具，設計者可以快速檢查（基于所需的計算精度）他的最終設計是否“過程安全”，如果不是“過程安全”，則可以進行潛在的糾正。比如鈦合金零件的生產(chǎn)失敗就要花費3000歐元，因此這種方法可以節(jié)省很多時間和金錢。

此外，專業(yè)軟件可以提出一個補償模型的設計，以預期任何彎曲。這意味著在生產(chǎn)過程中發(fā)生的變形將使補償后的模型彎曲，從而保持原始設計的外觀。
該工具可以幫助制造商和設計師達到預期的最終精度。
該軟件的成本目前在12000-15000歐元/年之間。

2.6時間方面
增材制造的優(yōu)勢在于，與其他技術相比，在相對較短的時間（大約4天；每層30分鐘到90分鐘）內(nèi)生產(chǎn)出小體積（300X300x400毫米）零件，這是從零開始的，從最終的CAD文件和原材料開始。

在機械加工或注塑成型中，不可能在四天內(nèi)生產(chǎn)出幾個不同的復雜零件。在一個小的或非常小的案例，有一個非常短的時間窗口，因此對于零件的定制，非常適合使用增材制造的方式。這種時間的差異帶來的收益已經(jīng)成為一些公司的利潤來源，   使得AM部件的費用更容易被接受。

有時AM也用于產(chǎn)品開發(fā)階段，不是用于生產(chǎn)最終零件，而是用于快速確定注塑生產(chǎn)的最佳模具。通過從當前版本快速找到初始設計，可以在早期階段避免一些錯誤。這也節(jié)省了時間。

當然，四天去制造模具是不可能完成的。因此，這些仍然是通過注射成型生產(chǎn)的，就像許多其他傳統(tǒng)的零件/形狀一樣。
設計步驟也可能是一個耗時的因素。由于AM只有在部件“特殊”或與傳統(tǒng)設計相比特別高效時才具有經(jīng)濟效益，因此設計步驟是最重要的。設計盡可能高效的零件需要不同的軟件和大量的知識積累。

知道何時選擇AM以及何時選擇另一個工藝，很重要。

3  對設計的影響
增材制造設計過程幾乎總是相同的，不管采用什么技術。第一步始終是定義組件的功能和周圍元素的集成程度，以適配裝配工作。無論功能是驅(qū)動流體從一個點到另一個點的通道，螺釘或車軸的錨固點，一個鉸鏈或幾個點之間的強連接保持他們之間的距離恒定，第一步都是先獲得這些特征的清晰三維圖。下面是一個具有結(jié)構(gòu)作用（錨固點）的組件示例，某些流體必須通過該組件的管道，此外，還需集成一個風道：

圖 52：組件功能的3D地圖定義

可用空間/體積（在上一個圖像上用紅色陰影表示）由周圍元素定義。根據(jù)最小機械阻力要求，可提出完成所有初始功能的部件的一個初稿。

圖 53：第一個簡化設計方案

下一步是優(yōu)化“自支撐”（避免支撐結(jié)構(gòu)）、“易于清潔”和后處理方面。
關于自支撐方面，組件對齊的調(diào)整有時會改變所需的支撐數(shù)量：

圖 54：相同的設計但不同的對齊方式可以改變所需的支持數(shù)量

然而，大多數(shù)情況下，局部需要重新設計，以對所選擇的支撐結(jié)構(gòu)進行整合。

圖 55：根據(jù)所選方向調(diào)整設計，以盡量減少后處理操作

4結(jié)論

• 3D打印不適合制造所有零件。第一個目標是選擇最有效益的零件，或重新設計自由度高的零件。
• 然后，將零件的所有功能考慮到，按照最基本的需求進行研究。
• 基于這些結(jié)果，根據(jù)本文檔中描述的物理原因，選擇機器中的組件對齊方式，使其長度大于寬度。
• 一旦選擇了組件對齊，就可以添加材料，以最有效的方式連接各個元素，這主要是由于拓撲優(yōu)化。
• 然后，可以優(yōu)化初始設計，以減少水平截面的分割面積（以減少熱輸入和相應的殘余應力），并檢查表面方向（盡可能避免支撐）。
• 根據(jù)所施加的載荷情況，可以進行有限元分析以檢查部件的韌性。
• 在不同的步驟之間，可以進行一些迭代，以獲得最佳的組件效率，從而實現(xiàn)可制造性和使用性。
  

研究背景
2020年3月，奧地利技術公司Ecoplus Plastics和Mechatronics Cluster公布了他們的一項研究結(jié)果，內(nèi)容主要是關于將增材制造應用于工業(yè)生產(chǎn)中的發(fā)現(xiàn)。兩年前，這兩家公司啟動了這項耗資210萬歐元的研究項目，稱為“增材制造的工業(yè)4.0”（AM 4 Industry）。

項目目的是使企業(yè)能夠在把增材制造引入生產(chǎn)領域時，做出更明智的決策。研究表明，增材制造技術能否成功應用于工業(yè)，主要取決于幾大關鍵因素：
●質(zhì)量特征的定義以及設計
●3D打印工藝的發(fā)展
●可靠的生產(chǎn)過程監(jiān)控
●合適的后處理指南
●合適的成本效益模型

該報告一共包括五個細分報告：
●激光束熔化（LBM）增材制造缺陷研究
●增材制造設計非常重要
●增材制造中的設計與流程相關注意事項
●實施增材制造工藝之前，做好質(zhì)量優(yōu)化和成本分析
●應用示例介紹OpenFoam®和chtMultiRegion

這項研究，南極熊認為非常有價值，有利于激光熔化類的3D打印企業(yè)深入展開工業(yè)應用，推動我國智能制造的發(fā)展。

本報告的翻譯，得到北京化工大學英藍實驗室  吳懷松、何其超、程月、王皓宇、張秀、劉俊豐等同學，和老師焦志偉的大力支持。正是由于這個也做3D打印相關研究的團隊，付出了約1個月的時間和精力，本報告的中文版才得以問世。南極熊特此感謝！