增材制造工藝在DfAM設(shè)計過程的應(yīng)用思考

來源：安世亞太

面向增材制造的設(shè)計（DfAM）是指結(jié)構(gòu)設(shè)計工程師利用增材獨特的工藝優(yōu)勢去構(gòu)建產(chǎn)品的設(shè)計過程。這就要求設(shè)計工程師在整個設(shè)計過程中都必須時刻考慮增材制造的工藝約束對設(shè)計的影響。

隨著增材制造的應(yīng)用的普及，增材制造給產(chǎn)品設(shè)計帶來的優(yōu)勢已經(jīng)愈發(fā)明顯，比如將零件進行輕量化以及將多個零件合并到一起成為一個零件，并且提高力學(xué)性能。在每次對增材產(chǎn)品進行設(shè)計的時候都是一個思考過程，在這個過程中需要做出慎重方案決策，不光要針對設(shè)計準(zhǔn)則的設(shè)計，還有諸多輕量化與力學(xué)性能的條件考慮。

在全球各地的制造公司對增材制造的關(guān)注越來越多，在條件允許的情況下對產(chǎn)品零件進行專門面向增材制造變得越來越重要。但是在很多常規(guī)零件中對增材制造來說意義并不大，對于許多很多需要開模的常規(guī)零件，在試驗階段如果采用增材制造會節(jié)省很多成本，例如在汽車行業(yè)中增材制造就在前期設(shè)計階段對成本節(jié)約有著顯著的表現(xiàn)。

在增材制造領(lǐng)域中，有著不同的設(shè)計層次，分別是直接替換零件的制造工藝、改變零件微小細節(jié)以適應(yīng)增材制造工藝、專門面向增材制造的設(shè)計，這三種設(shè)計方式所帶來的結(jié)果是不同的，當(dāng)然最后一種面向AM的設(shè)計是三種中最優(yōu)的選擇，它不僅能夠?qū)崿F(xiàn)輕量化而且還可以改善零件的力學(xué)性能以及裝配難易度與所占空間的大小。

增材制造為產(chǎn)品增值
對于SLM金屬打印而言，增材制造工藝的成本非常高昂，并且其制造方式只能采用“串行”的生產(chǎn)方式，相對于傳統(tǒng)常規(guī)的制造技術(shù)增材制造的速度是非常慢的，所以我們應(yīng)該在增材制造能夠為其帶來產(chǎn)品增值的情況下去使用。

在產(chǎn)品的概念設(shè)計階段，工程師們應(yīng)該根據(jù)整個產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)以及零件配置的影響做出分析后，確認零部件產(chǎn)品的制造工藝，如選擇增材制造可以使產(chǎn)品的利益最大化，再對零件進行專門的增材制造工藝設(shè)計。

增材制造工藝在DfAM設(shè)計中應(yīng)用
1）成型方向
在我們進行增材制造的零件設(shè)計時要針對零件不同材料的工藝局限，對零件外形也要根據(jù)工藝限制去進行更改，同時也要考慮到材料的成型方向問題對零件的影響。例如三周期極小曲面的Gyroid晶胞，如下圖1-Gyroid晶胞所示。

圖1-Gyroid晶胞

在打印時打印方向為紅色箭頭方向，如果按照左圖中的邊界方式打印出來的效果是非常光滑的，而且打印風(fēng)險也是非常低的，而右圖中側(cè)面邊界打印出來的效果是比較粗糙的，而且坍塌風(fēng)險也是非常大的，如下圖2- Gyroid晶胞試件中所示，圖中晶胞左側(cè)是沿著打印成型方向生長的，非常細膩光滑。而圖中右側(cè)橫向跨度面比較多，效果很顯然非常粗糙，所以我們在設(shè)計的過程中，針對成型方向的考慮也是非常重要的。

圖2- Gyroid晶胞試件

2）清粉
針對SLM工藝而言，在零部件產(chǎn)品設(shè)計時，也要考慮在零件打印結(jié)束后零件清粉的問題，要至少保證零件的最小間隙不能小于具體某個數(shù)值，不同材料進行不同最小孔徑的選擇。當(dāng)然有時在性能與工藝產(chǎn)生矛盾時，要采取一個折中的方案。

3）成型跨度
零件的較大跨度的位置表面會非常粗糙如圖3-無支撐橋所示。

圖3-無支撐橋

在上圖3中可以看到橫向水平跨度越大，成型難度就越大，其朝下的部分表面質(zhì)量會很差，并且在結(jié)構(gòu)上非常的不健全，甚至?xí)�有可能損毀鋪粉裝置。

4）零部件的擺放方向
在設(shè)計時不斷地考慮零件的各種打印方向，有很多原因，以保證零件能夠打印出來，以及支撐量、強度、表面質(zhì)量、材料性能。通過這種方式也可以根據(jù)零件的力學(xué)邊界條件，改變打印方向從而避免零件的各向異性所帶來的各種強度問題，對于金屬打印影響是比較小的，而且可以通過熱處理或者其他的后處理工藝進行解決，比如熱等靜壓。

里程碑式案例
在今年6月13日，增材制造在航空領(lǐng)域的應(yīng)用又一次迎來了里程碑式的發(fā)展，由德國漢莎航空技術(shù)公司3D打印技術(shù)中心研發(fā)的金屬增材制造支架“A-Link” 獲得歐盟航空安全局的官方適航認證。如下圖4-A-Link3D打印支架。

圖4-A-Link3D打印支架

在此之前該零件采用的是由傳統(tǒng)的鍛造工藝制造，它的作用主要是在發(fā)動機進氣罩上固定一個環(huán)形的熱空氣通道，每臺發(fā)動機上都具有9個A-Link零件。在發(fā)動機運轉(zhuǎn)時會發(fā)生震動從而導(dǎo)致A-Link在安裝孔位置造成磨損，所以每個一段時間就要對零件進行更換。

該零件主要受到的載荷是拉壓類型的，并且有少量的彎曲剪切載荷，這樣單一的受力邊界條件也成為了增材制造人員的開發(fā)首選。

另外還有它的安全冗余也是非常大的，由于每臺發(fā)動機上都有9個A-Link零件，空客公司的支架是由4個零件并聯(lián)排列的，那么就是說在飛行過程中有一個零件發(fā)生失效，也不會造成致命性的問題。

這樣類型的零件通過拓撲優(yōu)化后對其進行了輕量化設(shè)計，同時也節(jié)省了摸具費用，以及定制模具的時間成本，對于需求量少且需要輕量化而且易于損耗的零件為增材制造工藝帶來了許多機會。

增材制造正處于一種快速的發(fā)展衍變的狀態(tài)，將來將會有更多的新的技術(shù)、新的軟件、新的材料去充實增材制造這個行業(yè)，并且也會有更多的公司學(xué)校去投入至增材行業(yè)，這將是一個值得人們期待的行業(yè)。

—作者—
李瑞鵬  結(jié)構(gòu)設(shè)計工程師  對增材制造設(shè)計有豐富的項目經(jīng)驗，根據(jù)仿真拓撲結(jié)果對零部件進行輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計，以及使用三周期極小曲面的晶胞進行換熱器結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計，針對打印工藝對傳統(tǒng)工業(yè)設(shè)計零件面向增材工藝優(yōu)化。

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1. 試用功能：自動化模具隨形水路設(shè)計、數(shù)字化紋理設(shè)計、其他智能設(shè)計需求對接；
2. 試用對象：創(chuàng)成云目前只開通企業(yè)功能，試用以企業(yè)為單位；
3. 試用規(guī)則：企業(yè)填寫信息征集表，安世亞太進行信息篩選和需求確認后，給與試用賬號和功能權(quán)限；
4. 試用方法：安世亞太將對試用企業(yè)提供輕咨詢陪伴式在線實操培訓(xùn)和服務(wù)。

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