干貨——直接金屬3D打印的十大設計維度

每一種增材制造技術都有各自對應的設計原則，這樣才能更好地發(fā)揮出技術本身的優(yōu)勢，提高部件生產質量。Proto Labs高級質量工程師Jonathan Bissmeyer向我們介紹了直接金屬3D打?。―MLS技術）的“十大設計維度”，南極熊覺得，只有部件通過了拓撲優(yōu)化和輕量化以后采可以最大限度發(fā)揮3d打印技術的優(yōu)勢，那么接下來隨技術牛人一起看看如何才能更好地避免設計漏洞吧！

1.首先，直接金屬3D打印的設計要專注兩個要求：
減少部件數(shù)量在金屬3D打印技術的基礎上，可以將部件設計為一體化的，這樣能減少大量的組裝和維修功夫，從而節(jié)省成本。當然，這也有利于減重。

NextGen 3D打印汽車框架體現(xiàn)了一體化設計的概念。所有的鋼制組件都能通過3D打印節(jié)點相連接，而這些節(jié)點的厚度和幾何形狀可以自由調整。

減重另一個減重的策略是，進行空心設計。對航天航空業(yè)等制造部門來說，減重很重要，因為可以節(jié)省燃油。

2.精度細節(jié)
直接金屬3D打印設備可以實現(xiàn)0.006英寸的成型精度。對一些類似網格結構、尖銳的設計來說，這種精度太重要了。但當然并非部件的每一部分精度都得這么高。3D打印過程中的快速加熱與冷卻過程會對部件內部施加應力，從而產生一定變形，影響精度。

以上5個2英寸高的面板是按照不同厚度進行設計打印的。最薄的一個厚度僅為0.006英寸（0.15毫米）。右邊的面板僅為四分之一英寸高，然后向左依次增加高度。這些部件中，1毫米厚度的部件是唯一一個沒有發(fā)生翹曲的。

一個通用原則是，垂直部件高度與壁厚比應保持在40:1左右。設計時，可以減少無支撐垂直的結構，多在邊緣部分設置包裹加固的部分。

3.表面精度
DMLS部件的表面光潔度通常被看作一大挑戰(zhàn)。表面粗糙度會碎材料、構建參數(shù)，部件路徑而變化。通過調節(jié)參數(shù)，可以從一定程度上降低表面粗糙度，但可能會相應地犧牲材料參數(shù)。

后續(xù)輔助操作（如機械加工、手工拋光）可以降低表面粗糙度，但一些特殊表面可能比較難直接處理。另外，這些后處理的成本是一大問題。

不同材料和打印路徑的典型Ra值對比（設備為兩臺Concept Laer的DMLS 3D打印機）

通常來說，向下傾斜一定角度的表面最粗糙，而垂直側壁表面表面會比較精細光潔。因此在進行3D打印之前，最好能先確定好關鍵表面和特征。

4.外部支撐
在DMLS部件中，設置支撐的原因有兩個：將部件固定在合適位置、消除打印過程的內部應力。當部件有厚的橫截面時，需要增加支撐防止翹曲。

無論是增加支撐，還是去支撐，都是要花時間、花成本的。因此設計時考慮這個方面，盡量減少支撐是很關鍵的。

5.內部特征
在增材制造的基礎上，你可以在單個零件的文件中創(chuàng)建內部特征，但這必須謹慎。要考慮好通道尺寸和形狀、懸垂距離、內部支撐角度和連接面的尺寸。

可以考慮用自支撐晶格結構代替內部空隙，這種做法不僅大大降低了部件重量，還可以減少打印時的內部應力。

6.內部（自）支撐
比如自支撐的角度設計。角度越低，支撐能力越小。實際的角度值要根據(jù)材料和打印路徑進行調整，45°角一般能比較好地起到支撐作用，并保持一致的表面粗糙度。

7.懸垂結構
懸垂是設計中要考慮的一個關鍵組成部分。懸突是與逐漸自支撐角相比的幾何形狀的突然變化。 與其他3D打印技術不同，DMLS保留無支撐懸垂結構的能力有限。 無支撐懸垂達到0.020英寸（0.5毫米）的時候，很容易會出現(xiàn)構建失敗的情況。

8.內部通道
越來越多的部件會設置共形冷卻通道和模具空隙。隨形冷卻通道可以延長部件壽命。在內部通道的設置上，首先要了解尺寸限制。直徑大于8毫米的通道可能會產生向下變形，這時候可能金剛石、水滴形狀會比常規(guī)的圓形通道更好。

9.連接面
連接面是在兩側或多側間起連接作用的平坦部分，在DMLS技術中，其無支撐距離跨度大于2毫米是，容易出現(xiàn)問題。

10.內部應力
快速加熱和冷卻產生了內部應力。垂直面/柱之間的過渡拱道可以減少或消除內部應力。

大的實心部件容易發(fā)生翹曲。除了打印起始位置不正確，低粘附性也可能是原因之一。增加支撐、設置更大的橫截面，有助于消除內部應力。

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來源：3d打印世界
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