增材制造（Additive Manufacturing，AM）俗稱3D打印，融合了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、材料加工與成型技術(shù)、以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，通過軟件與數(shù)控系統(tǒng)將專用的金屬材料、非金屬材料以及醫(yī)用生物材料，按照擠壓、燒結(jié)、熔融、光固化、噴射等方式逐層堆積，制造出實(shí)體物品的制造技術(shù)。相對(duì)于傳統(tǒng)的、對(duì)原材料去除－切削、組裝的加工模式不同，是一種“自下而上”通過材料累加的制造方法，從無到有。這使得過去受到傳統(tǒng)制造方式的約束，而無法實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)件制造變?yōu)榭赡堋?/span>
近二十年來，AM技術(shù)取得了快速的發(fā)展，“快速原型制造（Rapid Prototyping）”、“三維打印(3D Printing )”、“實(shí)體自由制造(Solid Free-form Fabrication) ”之類各異的叫法分別從不同側(cè)面表達(dá)了這一技術(shù)的特點(diǎn)。
增材制造技術(shù)是指基于離散-堆積原理，由零件三維數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)直接制造零件的科學(xué)技術(shù)體系。基于不同的分類原則和理解方式，增材制造技術(shù)還有快速原型、快速成形、快速制造、3D打印等多種稱謂，其內(nèi)涵仍在不斷深化，外延也不斷擴(kuò)展，這里所說的“增材制造”與“快速成形”、“快速制造”意義相同。
AM技術(shù)不需要傳統(tǒng)的刀具和夾具以及多道加工工序，在一臺(tái)設(shè)備上可快速精密地制造出任意復(fù)雜形狀的零件，從而實(shí)現(xiàn)了零件“自由制造”，解決了許多復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的成形，并大大減少了加工工序，縮短了加工周期。而且產(chǎn)品結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，其制造速度的作用就越顯著。
一是材料單元的控制技術(shù)。即如何控制材料單元在堆積過程中的物理與化學(xué)變化是一個(gè)難點(diǎn)，例如金屬直接成型中，激光熔化的微小熔池的尺寸和外界氣氛控制直接影響制造精度和制件性能。
二是設(shè)備的再涂層技術(shù)。增材制造的自動(dòng)化涂層是材料累加的必要工序，再涂層的工藝方法直接決定了零件在累加方向的精度和質(zhì)量。分層厚度向0.01mm發(fā)展，控制更小的層厚及其穩(wěn)定性是提高制件精度和降低表面粗糙度的關(guān)鍵。
三是高效制造技術(shù)。增材制造在向大尺寸構(gòu)件制造技術(shù)發(fā)展，例如金屬激光直接制造飛機(jī)上的鈦合金框睴結(jié)構(gòu)件，框睴結(jié)構(gòu)件長度可達(dá)6m，制作時(shí)間過長，如何實(shí)現(xiàn)多激光束同步制造，提高制造效率，保證同步增材組織之間的一致性和制造結(jié)合區(qū)域質(zhì)量是發(fā)展的難點(diǎn)。
此外，為提高效率，增材制造與傳統(tǒng)切削制造結(jié)合，發(fā)展材料累加制造與材料去除制造復(fù)合制造技術(shù)方法也是發(fā)展的方向和關(guān)鍵技術(shù)。
金屬增材制造有使用金屬粉末和熔絲兩種工藝，包括利用金屬粉末在激光等能量源作用下快速熔化與凝固進(jìn)行塑形的粉末床熔合法（PBF）；金屬粉末和熔絲在能量源作用下形成熔池，逐層沉積進(jìn)行制造的定向能量沉積法（DED）。還有其他金屬增材制造方法，如使用電弧、激光和電子束等熱源，采用不銹鋼、工具鋼、Ni基超合金、Co基超合金、Ti合金、Al合金和Cu合金等多種材料。另外，還有不使用熱源的制造方法，如用噴墨方式涂敷黏結(jié)劑的黏結(jié)劑噴射（BJ）成型技術(shù)。
選擇性激光燒結(jié)（SLS：Selective Laser Sintering）工藝，以預(yù)置于工作平臺(tái)上的粉末為原料，計(jì)算機(jī)根據(jù)模型切片控制激光束的二維掃描軌跡，有選擇地?zé)Y(jié)固體粉末材料以形成零件的一個(gè)層面。在燒結(jié)之前，整個(gè)工作臺(tái)通常被加熱至稍低于粉末熔化溫度，以減少熱變形，并利于與前一層面的結(jié)合。完成一層燒結(jié)后，工作平面下降一個(gè)層厚， 鋪粉系統(tǒng)鋪設(shè)新粉層，激光束掃描燒結(jié)新的一層。如此循環(huán)，層層疊加最終制造出三維零件。由于燒結(jié)后仍然是密度較低的多孔結(jié)構(gòu)，未燒結(jié)的粉末能夠?qū)σ褵Y(jié)結(jié)構(gòu)形成支撐，因此SLS具有自支撐性能，可制造任意復(fù)雜的形體。
適用于SLS工藝的材料可以是高分子材料，陶瓷或金屬粉末。其中，陶瓷與金屬材料的應(yīng)用更為廣泛。陶瓷粉末在進(jìn)行SLS工藝時(shí)要在粉末中加入粘結(jié)劑，燒結(jié)成型后再通過后續(xù)熱處理去除粘結(jié)劑。金屬材料可以直接采用SLS工藝燒結(jié)，但成型件致密度低、表面粗糙度大，需要后續(xù)采取熱等靜壓處理提高致密度。針對(duì)小部分高熔點(diǎn)金屬，或?yàn)榱颂岣叱尚托逝c成型致密度，會(huì)采取將目標(biāo)金屬與有機(jī)粘結(jié)劑或其它低熔點(diǎn)金屬混合的方法，通過熔化有機(jī)粘結(jié)劑或低熔點(diǎn)合金實(shí)現(xiàn)快速成型，但這種工藝路線會(huì)造成后續(xù)熱處理工序多（脫脂、高溫焙燒或液相燒結(jié)）、零件尺寸收縮大、產(chǎn)品力學(xué)性能降低等問題。隨著高功率激光器的發(fā)展，激光能束已可以熔化大部分的金屬材料，因此在金屬應(yīng)用方向上，SLS已越來越多的被SLM（選擇性激光熔融）所取代。
選擇性激光熔融（SLM：Selective Laser Melting）的工藝過程與SLS幾乎完全一致。所不同的是金屬粉末在高能量密度激光作用下發(fā)生熔化而不是固態(tài)燒結(jié)，成型件可以直接達(dá)到99%以上的致密度；同時(shí)由于激光掃描速度快，微小尺寸的熔池帶來極快的冷卻凝固速度，得到均勻細(xì)小的金相組織，大大的提高了材料力學(xué)性能；SLM采用53 μm以下粒徑的粉末，單層粉末厚度控制在20-100 μm，可實(shí)現(xiàn)精密成型，成型件表面質(zhì)量好；整個(gè)工作腔被密閉于惰性氣體環(huán)境中，避免金屬材料在高溫下氧化，可以處理鈦合金等活躍金屬；通過支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，可以打印各種復(fù)雜形狀產(chǎn)品，包括帶有懸空部位的復(fù)雜曲面，含有內(nèi)部流道的結(jié)構(gòu)，鏤空復(fù)雜形狀等。
電子束熔化成型即EBM（Electron Beam Melting），EBM的工藝過程與SLM類似，但是采用高能電子束作為能量源。在真空環(huán)境中，高能電子束選擇性地熔化金屬粉末層，層層堆積直至形成整個(gè)實(shí)體金屬零件。每個(gè)粉末層掃描分為預(yù)熱和熔化兩個(gè)階段，在預(yù)熱階段，通過使用高掃描速度的散焦電子束多次預(yù)熱粉末層（ 預(yù)熱溫度高達(dá)0.4~0.6 Tm）；熔化階段，使用低掃描速度的聚焦電子束。相比較SLM，EBM的能量利用率更高，很多對(duì)激光吸收率低的材料，可以采用EBM工藝成型；同時(shí)，EBM特殊的粉末預(yù)熱方式與很高的預(yù)熱溫度，進(jìn)一步擴(kuò)大了可處理材料范圍，使用EBM成型易裂的金屬間化合物TiAl就是一個(gè)成功的應(yīng)用。EBM工藝可以采用較大粒徑的粉末材料，單層厚度更大，成型效率比SLM要高。但EBM設(shè)備需要真空系統(tǒng)，成本昂貴，也限制了打印零件的尺寸；另外在成形過程中會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的X射線，因此需要對(duì)工作環(huán)境與人員采取特別的保護(hù)措施。
激光金屬直接沉積技術(shù)，即DLMD（Direct Laser metal Deposition）的工作原理同SLM技術(shù)類似，同樣是采用高能激光束，逐層熔融金屬粉末，最終成型三維零件。區(qū)別是在DLMD過程中，粉末不是預(yù)置在工作平臺(tái)上，而是通過送粉機(jī)構(gòu)與噴嘴，在激光掃描金屬基體時(shí)，被實(shí)時(shí)送入基體表面的熔池中，如下圖所示。沒有了粉末床的限制，DLMD技術(shù)對(duì)成型件的尺寸理論上沒有任何限制，因此很適合用來成型大型的金屬結(jié)構(gòu)件。受限于粉末的匯聚尺寸（一般粉斑直徑在1 mm以上），DLMD的成型精度要低于SLM，但是成型效率要高很多。
除了三維成型，DMLD的另一大應(yīng)用是在各種金屬零件的表面熔覆增強(qiáng)涂層。2017年Fraunhofer開發(fā)的超高速激光熔覆工藝中，粉末被送入聚焦的激光束中而不是基體表面的熔池中，粉末在激光束中被熔化，然后以熔融狀態(tài)落到基板上冷卻凝固。這一小小的改變產(chǎn)生了巨大的不同，激光的掃描速度對(duì)粉末熔化的影響變小，而粉末在激光束中的飛行時(shí)間成為了重要影響因素，只要保證粉末充分熔化，激光的掃描速度可以提高到傳統(tǒng)熔覆的100倍以上，這極大的提高了熔覆效率，降低了生產(chǎn)成本，目前已成為了有希望取代電鍍的熔覆技術(shù)。
電弧送絲增材制造技術(shù) ，即WAAM （Wire and Arc Additive Manufacturing）技術(shù)采用焊接電弧作為熱源將金屬絲材熔化，按設(shè)定成形路徑在基板上堆積每一層片，層層堆敷直至成形金屬件。與上述采用粉末原料的多種增材制造技術(shù)相比，WAAM的材料利用率更高，成型效率高，設(shè)備成本低，對(duì)成型件的尺寸基本無限制，雖然成形精度稍差，成型件微觀組織粗大，但仍是與激光增材制造方法優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的3D增材成形技術(shù)。
粘結(jié)成型（Binder Jetting）是另一種基于粉末床的3D增材制造技術(shù)。不同之處在于，它不是通過激光熔融的方式粘結(jié)粉末，而是使用噴墨打印頭將粘合劑噴到粉末里，從而將一層粉末在選擇的區(qū)域內(nèi)粘合，每一層粉末又會(huì)同之前的粉層通過粘合劑的滲透結(jié)合為一體，如此層層疊加制造出三維結(jié)構(gòu)的物體。粘結(jié)成型可以用于高分子材料、金屬、陶瓷材料的制造，當(dāng)用于金屬和陶瓷材料時(shí)，粘結(jié)成型的原型件需要通過高溫?zé)Y(jié)將粘合劑去除并實(shí)現(xiàn)粉末顆粒之間的冶金結(jié)合，才能得到有一定密度與強(qiáng)度的成品。粘結(jié)成型制作的金屬件力學(xué)性能較差，但是成型效率非常高，適合對(duì)力學(xué)性能要求不高的應(yīng)用場(chǎng)合。
下表給出了不同金屬3D增材制造技術(shù)的對(duì)比總結(jié)：
金屬增材制造是最前沿和最有潛力的增材制造技術(shù)，是先進(jìn)制造技術(shù)的重要發(fā)展方向。金屬增材制造技術(shù)是以高能束流（激光束/電子束/電弧等）作為熱源，通過熔化粉材或絲材實(shí)現(xiàn)金屬構(gòu)件逐層堆積成形。根據(jù)所采用能量源和成形材料的不同，典型的金屬增材制造主要包括激光選區(qū)熔化（Selective Laser Melting, SLM）、電子束選區(qū)熔化（Electron Beam Melting, EBM）、激光近凈成形技術(shù)（Laser Engineered Net Shaping, LENS）、電子束熔絲沉積成形（Electron Beam Freeform Fabrication, EBFF）和電弧增材制造（Wire and arc additive manufacturing, WAAM）。
表1：目前較成熟的典型金屬增材制造的技術(shù)原理和技術(shù)特點(diǎn)等的對(duì)比
同步絲材送進(jìn)技術(shù)采用電子束或電弧（CMT、MIG、TIG等）等作為熱源，將金屬絲材加熱熔化，連續(xù)堆積形成沉積層，最終形成“近形”制件。
沉積層厚度為毫米量級(jí)，具有成形效率高，制造成本低等優(yōu)點(diǎn)，目前該技術(shù)主要用于制造大型零件毛坯，隨著技術(shù)的發(fā)展，通過增減材一體化復(fù)合，可能將為大型復(fù)雜構(gòu)件的低成本制造提供一種替代方案。
電子束選區(qū)熔化（EBM）的優(yōu)點(diǎn)在于其能量密度高，熱影響區(qū)小，變形小，生產(chǎn)率高等，但須在真空環(huán)境中進(jìn)行，需要一整套專用設(shè)備和真空系統(tǒng)，價(jià)格較貴，生產(chǎn)應(yīng)用具有一定局限性，但是電子束能力密度高，掃描速度快，束斑直徑大，成形精度不及激光選區(qū)熔化技術(shù)，隨著電子腔技術(shù)的發(fā)展，EBM技術(shù)將會(huì)得到快速的發(fā)展。激光成形最重要特點(diǎn)是熱量集中，加熱快、冷卻快、熱影響區(qū)小，進(jìn)而影響金屬相形成的均勻度。
金屬激光近凈成形（LENS）采用的激光功率比較大（2-10 kW）、光斑直徑大（1-10 mm）、粉末沉積效率高(最大1-3 kg/小時(shí))，但是成形精度低（毫米級(jí)別），其技術(shù)特點(diǎn)適合應(yīng)用于大型構(gòu)件毛坯件的加工成形，隨著增減材一體化技術(shù)的發(fā)展，LENS技術(shù)的應(yīng)用將會(huì)進(jìn)一步得到拓展。
金屬選區(qū)激光熔化（SLM）成形技術(shù)是目前金屬增材制造中發(fā)展最成熟、應(yīng)用最廣泛的技術(shù)，采用激光功率較低（200-1000W）、激光能量密度高（106-8W/cm2）、光斑直徑?。?0-200μm）、粉末沉積效率低（5-30 cm3/h），但是制造精度很高（20μm），最小壁厚可以達(dá)到100μm，構(gòu)件性能可達(dá)到同成分鍛件水平，精度遠(yuǎn)高于精鑄工藝，零部件致密度近 100%。目前受到SLM設(shè)備成形尺寸的限制，SLM主要用于制造中小型復(fù)雜精密構(gòu)件，但隨著多振鏡和增減才一體化技術(shù)的發(fā)展，SLM的應(yīng)用領(lǐng)域和成形件尺寸都將得到進(jìn)一步的發(fā)展，短期內(nèi)被其他技術(shù)取代的可能性不大。如圖1所示，增材制造的成形質(zhì)量和成形效率之間存在著矛盾，針對(duì)不同的應(yīng)用領(lǐng)域，應(yīng)綜合評(píng)估權(quán)衡成形質(zhì)量、效率和成本之間的關(guān)系，選擇性價(jià)比最佳的3D打印該工藝。
圖1：增材制造成形效率與成形質(zhì)量的關(guān)系
3D打印應(yīng)用的領(lǐng)域越來越寬廣，從民用的消費(fèi)品、文化創(chuàng)意產(chǎn)品、建筑的設(shè)計(jì)到航空航天的結(jié)構(gòu)，這方面國內(nèi)很多研究單位做了大量的工作，已經(jīng)用在飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的承載件，例如C919的很多零件上?，F(xiàn)在中國民用飛機(jī)也有自己的目標(biāo)，上海商發(fā)準(zhǔn)備80%發(fā)動(dòng)機(jī)的零件都用3D打印來支持研發(fā)，GE公司也已經(jīng)有三分之一的飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)零件用3D打印進(jìn)行生產(chǎn)，并且已完成了30000個(gè)燃油噴嘴的SLM成形和應(yīng)用驗(yàn)證。未來各種增材制造技術(shù)將得到進(jìn)一步的快速發(fā)展，效率更高成本更低的增材制造工藝也可能會(huì)被不斷提出，各種增材制造技術(shù)將同臺(tái)競(jìng)技，不斷拓展自己的應(yīng)用領(lǐng)域。
圖2：結(jié)構(gòu)復(fù)雜對(duì)增材制造與傳統(tǒng)制造零件成本的影響
圖2表示構(gòu)件的復(fù)雜程度對(duì)制造成本的影響，對(duì)于傳統(tǒng)的機(jī)械制造（如車銑刨磨鉆），零件的制造成本隨復(fù)雜程度的提升指數(shù)級(jí)的增長，且與制造的批量有關(guān)系，批量小于3000件時(shí)，成本非常高。而零件的復(fù)雜程度對(duì)增材制造的成本影響很小，增材制造過程幾乎不受零件復(fù)雜程度的影響，其成本主要決定于制造改零件所需要的時(shí)間。
因此對(duì)于單件小批量生產(chǎn)和具有較高幾何復(fù)雜性的零件，增材制造具有顯著的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。傳統(tǒng)的零件的制造受到零件本身復(fù)雜性的限制，往往在設(shè)計(jì)過程中并未完全實(shí)現(xiàn)功能優(yōu)先的設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)上有很多冗余，浪費(fèi)材料，增材制造可以通過結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)，極大的提升其性能，實(shí)現(xiàn)輕量化、高強(qiáng)度。增材制造可以將不同成分和顏色的不同材質(zhì)材料按需分布在所需要的位置，獲得理論設(shè)計(jì)最佳和功能優(yōu)先的一體化設(shè)計(jì)和制造，真正意義上實(shí)現(xiàn)“控材控形控性控色”。
金屬增材制造技術(shù)的六大應(yīng)用場(chǎng)景
金屬增材制造技術(shù)在制造行業(yè)具有更廣闊的應(yīng)用舞臺(tái)，是增材制造領(lǐng)域?qū)χ圃鞓I(yè)來說最有應(yīng)用價(jià)值的先進(jìn)制造技術(shù)。主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
在制造領(lǐng)域，有些零部件形狀復(fù)雜、制備周期長，應(yīng)用傳統(tǒng)鑄造鍛造工藝生產(chǎn)不出來或損耗較大。而金屬增材制造技術(shù)則可以快速制造出滿足要求的零部件，并具有加工周期短、制造成本低、無需工裝和模具等優(yōu)勢(shì)。
一個(gè)典型的應(yīng)用就是模具行業(yè)隨形冷卻金屬模具的制造。金屬模具冷卻系統(tǒng)是設(shè)計(jì)模具工程之一，傳統(tǒng)的模具冷卻系統(tǒng)是以直線的水路設(shè)計(jì)為主，制作較簡易，但需要的散熱時(shí)間較長，直接影響了脫模時(shí)間、制品質(zhì)量、制品外觀等。設(shè)計(jì)者通過軟件分析模具與水路的散熱情形，設(shè)計(jì)出了異型水路，但是受到既有加工技術(shù)的限制，使得異型水路設(shè)計(jì)只能停留在理論階段。金屬增材制造技術(shù)出現(xiàn)后，使這些問題獲得了突破性改善。據(jù)悉，通過金屬3D打印的異型水路模具設(shè)計(jì)時(shí)間減少了75%、制造端人力節(jié)省了50%、射出模具生產(chǎn)周期縮短了14％、制造費(fèi)用降低了16%等。
傳統(tǒng)的冷卻金屬模具與隨形冷卻金屬模具對(duì)比
另外，江蘇科技大學(xué)海洋裝備研究院通過金屬增材制造SLM工藝，成功制造出了原本只有英國Heatri一家公司才能生產(chǎn)出來的印刷版式LNG汽化器，而且采用增材制造技術(shù)制備的船用LNG汽化器能夠完全滿足超高壓、超低溫的運(yùn)行條件，制造成本和周期也大幅減少。還包括剛剛首飛成功的國產(chǎn)大飛機(jī)C919，在北航、西安鉑力特等院企的攻克下，通過金屬增材制造技術(shù)成功研制出了鈦合金主風(fēng)擋整體窗框、起落架整體支撐框、中央翼緣條等關(guān)鍵部件，有效避免了從國外采購，大大提高了C919的國產(chǎn)化率。
金屬材料是制造領(lǐng)域必不可少的重要材料，但是在實(shí)際的加工過程中，卻存在著不少問題，例如鈦合金、高溫合金、超高強(qiáng)度鋼等材料難加工、加工成本高、材料利用率低，加工周期長等。金屬增材制造技術(shù)所采用的激光、電子等高能束密度高，速度快，極大的改善了金屬材料的加工難度，并提高了材料利用率及降低了原材料成本。
以金屬增材制造技術(shù)應(yīng)用最早和最廣泛的航空航天行業(yè)為例。航空航天基于高性能需求，需要大量使用鈦合金和鎳基超合金等昂貴的高性能、難加工的金屬材料。但零件的材料利用率非常低，一般低于10%，有時(shí)甚至于僅為2%-5%，大量昂貴的金屬材料變成了難以再利用的廢屑。
美國最大的航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造公司之一普惠公司應(yīng)用增材制造技術(shù)用于發(fā)動(dòng)機(jī)的鎳基合金和鈦合金部件的研制，結(jié)果顯示：不但獲得了與當(dāng)前材料一致的性能，大大縮短了制造周期，提升了復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)的制造精度；而且原材料消耗降低了50%，并將發(fā)動(dòng)機(jī)的BTF比（原材料質(zhì)量與部件最終質(zhì)量之比）從傳統(tǒng)工藝的20:1降低到2:1以下，有效的提高了部件的質(zhì)量和降低了制造成本。
3D打印非常適合個(gè)性化定制生產(chǎn)、小批量生產(chǎn)。當(dāng)前，金屬增材制造的個(gè)性化制造在醫(yī)療器械的應(yīng)用極為突出，一方面用于打印具有個(gè)性化需求的植入物/假體或模仿仿生原理的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。這些植入物通過3D打印技術(shù)的精確控制，有效實(shí)現(xiàn)外在輪廓及內(nèi)部結(jié)構(gòu)的同步重建，以滿足其與患者局部解剖結(jié)構(gòu)的高度匹配，其中具有生物相容性的鈦合金材料是重要的加工材料，打印出來的多孔結(jié)構(gòu)植入物，可以更好的與人體組織結(jié)合。另一方面，金屬增材制造技術(shù)還可用于為病人量身定做植入手術(shù)所需的精密部件，例如華南理工大學(xué)利用激光選區(qū)熔化技術(shù)（SLM）已成功研制了外科手術(shù)所需的個(gè)性化輔助導(dǎo)板。
個(gè)性化、小批量生產(chǎn)已經(jīng)成為當(dāng)前制造業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)，金屬3D打印擺脫了模具制造這一關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)，可以隨時(shí)調(diào)整參數(shù)，以更低的成本更短的周期進(jìn)行小批量甚至單件產(chǎn)品的生產(chǎn)。除了醫(yī)療器械行業(yè)，在其他行業(yè)也極具應(yīng)用潛力。
高成本零件的成形修復(fù)也是金屬增材制造技術(shù)的突出優(yōu)勢(shì)。過去，對(duì)于受損零部件只能做表面的涂層修復(fù)，并且維修工序步驟繁多，還涉及到一些額外的步驟如加工、拋光、測(cè)試等，同時(shí)還受維修時(shí)限條件的制約，耗時(shí)較長；而對(duì)于損傷稍嚴(yán)重的零部件也只能作更換處理。金屬增材制造技術(shù)則可以對(duì)任意缺失或損環(huán)的部分進(jìn)行快速成形和修復(fù)。
例如航空航天零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高昂，一旦出現(xiàn)瑕疵或缺損，只能整體換掉，可能造成數(shù)十萬、上百萬元損失。而通過金屬3D打印技術(shù)，可以用同一材料將缺損部位修補(bǔ)成完整形狀，修復(fù)后的性能不受影響，大大延長了使用壽命，降低了成本，減少了停機(jī)時(shí)間。
圖：德國MTU 航空發(fā)動(dòng)機(jī)公司整體葉盤激光修復(fù)過程流程
其實(shí)除了航空航天領(lǐng)域外，機(jī)械、能源、船舶、模具等行業(yè)也對(duì)大型裝備的高性能快速修復(fù)提出了迫切需求。據(jù)悉，西門子公司計(jì)劃從2014年開始采用金屬3D打印技術(shù)制造和修復(fù)燃?xì)廨啓C(jī)的某些金屬零部件，并稱在某些情況下，通過3D打印技術(shù)可以把對(duì)渦輪燃燒器的修理時(shí)間從44周縮減為4周。
對(duì)于傳統(tǒng)制造方式（鑄造、鍛造等）來講，將不同材料組合成單一產(chǎn)品非常困難，但是增材制造技術(shù)有能力使不同原材料進(jìn)行組合制造。金屬增材制造LSF技術(shù)可以在通過鑄造、鍛造和機(jī)械加工等傳統(tǒng)技術(shù)制造出來的零件上任意添加同/異質(zhì)材料的精細(xì)結(jié)構(gòu)，并且使其具有與整體制造相當(dāng)?shù)牧W(xué)性能。因此，針對(duì)部分工業(yè)零件適當(dāng)利用增材制造技術(shù)進(jìn)行組合制造，不同的結(jié)構(gòu)部位采用不同類別的金屬材料，不僅大大提高結(jié)構(gòu)件的性能，而且降低了成本，特別是昂貴材料的成本。同時(shí)，也把增材制造技術(shù)成型復(fù)雜精細(xì)結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)與傳統(tǒng)制造技術(shù)高精度本的優(yōu)勢(shì)結(jié)合起來，形成了最佳的制造策略。
6、結(jié)合拓?fù)鋬?yōu)化的輕量化制造
增材制造技術(shù)快速自由成型的特點(diǎn)，給產(chǎn)品的設(shè)計(jì)帶來了無限的創(chuàng)新空間，為實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化的設(shè)計(jì)提供了有效的制造途徑。特別是當(dāng)前應(yīng)用得比較多的拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)，與傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)式設(shè)計(jì)模式不同，經(jīng)過拓?fù)鋬?yōu)化的創(chuàng)新模型是在滿足設(shè)計(jì)約束下的最優(yōu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。但是優(yōu)化后創(chuàng)新模型結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，可制造性差，因此在設(shè)計(jì)階段不得不引入制造性約束，以滿足傳統(tǒng)加工制造工藝的要求。往往這樣得到的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)是犧牲掉了其在輕量化和高性能上的優(yōu)勢(shì)。而金屬增材制造技術(shù)則可以使這些經(jīng)拓?fù)鋬?yōu)化后的創(chuàng)新模型，不用考慮制造約束并快速實(shí)現(xiàn)制造。
例如空客A320飛機(jī)的大尺寸“仿生”機(jī)艙隔離結(jié)構(gòu)，這一結(jié)構(gòu)是通過拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)，金屬3D打印制造而成，材料是采用的超強(qiáng)且輕質(zhì)合金材料Scalmalloy。A320全新的機(jī)艙設(shè)計(jì)與原有的隔離結(jié)構(gòu)相比，新型的仿生隔離結(jié)構(gòu)由幾個(gè)不同的部件組成，不僅強(qiáng)度更高，而且將其總量減輕了45%。
另外，GE采用增材制造技術(shù)制造的Leap噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的金屬燃料噴嘴，是通過長達(dá)10多年的探索通過不斷的優(yōu)化、測(cè)試、再優(yōu)化，才達(dá)到零件數(shù)量從20多個(gè)減少到了一個(gè)。這樣造出的燃油噴嘴不僅重量更輕，而且改善了噴油嘴容易過熱和積碳的問題，將噴油嘴的使用壽命提高了5倍；另外，減少組裝也提升了噴嘴的穩(wěn)定性，并為公司降低了物流、組裝、焊接等方面的成本。
GE的Leap噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的金屬燃料噴嘴
金屬增材制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)輕量化的四種途徑
輕量化這一概念最先起源于賽車運(yùn)動(dòng)，它的優(yōu)勢(shì)其實(shí)不難理解，重量輕了，可以帶來更好的操控性，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的動(dòng)力能夠產(chǎn)生更高的加速度。除了汽車領(lǐng)域以外，航空航天領(lǐng)域也有大量輕量化的需求。今天的干貨“力”薦時(shí)間將向大家介紹西安鉑力特激光成形技術(shù)有限公司（以下簡稱“鉑力特”）金屬3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)輕量化的四種途徑。
輕量化這一概念最先起源于賽車運(yùn)動(dòng)，它的優(yōu)勢(shì)其實(shí)不難理解，重量輕了，可以帶來更好的操控性，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的動(dòng)力能夠產(chǎn)生更高的加速度。除了汽車領(lǐng)域以外，航空航天領(lǐng)域也有大量輕量化的需求。今天的干貨“力”薦時(shí)間將向大家介紹西安鉑力特激光成形技術(shù)有限公司（以下簡稱“鉑力特”）金屬3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)輕量化的四種途徑。
鉑力特每年投入大量的研發(fā)人員及研發(fā)經(jīng)費(fèi)用于金屬3D打印輕量化研究，要實(shí)現(xiàn)輕量化，宏觀層面上可以通過采用輕質(zhì)材料，如鈦合金、鋁合金、鎂合金等材料來達(dá)到目的。微觀層面上可以通過采用高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼這樣的材料使零件設(shè)計(jì)得更緊湊和小型化，有助于輕量化。
而金屬3D打印帶來了通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)層面上達(dá)到輕量化的可行性。具體來說，金屬3D打印通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)層面實(shí)現(xiàn)輕量化的主要途徑有四種：中空夾層／薄壁加筋結(jié)構(gòu)、鏤空點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)、一體化結(jié)構(gòu)、拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)。
途徑1：中空夾層、薄壁加筋結(jié)構(gòu)
銅合金尾噴管的內(nèi)外壁之間設(shè)計(jì)了50條隨形冷卻流道，增大冷卻接觸表面積，降低溫度達(dá)到快速冷卻的效果，有效提高了零件的工作溫度。
中空夾層、薄壁加筋結(jié)構(gòu)通常是由比較薄的面板與比較厚的芯子組合而成。在彎曲荷載下，面層材料主要承擔(dān)拉應(yīng)力和壓應(yīng)力，芯材主要承擔(dān)剪切應(yīng)力，也承擔(dān)部分壓應(yīng)力。夾層結(jié)構(gòu)具有質(zhì)量輕、彎曲剛度與強(qiáng)度大、抗失穩(wěn)能力強(qiáng)、耐疲勞、吸音與隔熱等優(yōu)點(diǎn)。
在航空、風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片、體育運(yùn)動(dòng)器材、船舶制造、列車機(jī)車等領(lǐng)域，大量使用夾層結(jié)構(gòu)，減輕重量。
如果用鋁、鈦合金做蒙皮和芯材，這種夾層結(jié)構(gòu)被稱作金屬夾層結(jié)構(gòu)，鉑力特在3D打印過程中，采用夾層結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)構(gòu)件的快速輕量化，經(jīng)過設(shè)計(jì)的夾層結(jié)構(gòu)對(duì)直接作用外部于蒙皮的拉壓載荷具有很好的分散作用，薄壁結(jié)構(gòu)（比如壁厚1mm以下）也能對(duì)減重做出貢獻(xiàn)；夾層及類似結(jié)構(gòu)可用作散熱器，在零件上應(yīng)用，極大地提高零件的熱交換面積，提高散熱效率。
途徑2：鏤空點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)
鏤空點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)可以達(dá)到工程強(qiáng)度、韌性、耐久性、靜力學(xué)、動(dòng)力學(xué)性能以及制造費(fèi)用的完美平衡。
三維鏤空結(jié)構(gòu)具有高度的空間對(duì)稱性，可將外部載荷均勻分解，在實(shí)現(xiàn)減重的同時(shí)保證承載能力。除了工程學(xué)方面的需求，鏤空點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)間具有空間孔隙（孔隙大小可調(diào)），在植入物的應(yīng)用方面，可以便于人體肌體（組織）與植入體的組織融合。
鏤空點(diǎn)陣單元設(shè)計(jì)有很高的的靈活性，根據(jù)使用的環(huán)境，可以設(shè)計(jì)具有不同形狀、尺寸、孔隙率的點(diǎn)陣單元。鉑力特在這方面做了不斷的嘗試：在構(gòu)件強(qiáng)度要求高的區(qū)域，將點(diǎn)陣單元密度調(diào)整的大一些，并選擇結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高的鏤空點(diǎn)陣單元；在構(gòu)件減重需求高的區(qū)域，添加輕量化幅度大的鏤空點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，鏤空結(jié)構(gòu)不僅可以規(guī)則排列，也可以隨機(jī)分布以便形成不規(guī)則的孔隙。另外，鏤空結(jié)構(gòu)還可以呈現(xiàn)變密度、厚度的梯度過渡排列，以適應(yīng)構(gòu)件整體的梯度強(qiáng)度要求。
GE通過3D打印實(shí)現(xiàn)了噴油嘴結(jié)構(gòu)一體化，提高了使用壽命和整體性能。
金屬3D打印可以將原本通過多個(gè)構(gòu)件組合的零件進(jìn)行一體化打印，這樣不僅實(shí)現(xiàn)了零件的整體化結(jié)構(gòu)，避免了原始多個(gè)零件組合時(shí)存在的連接結(jié)構(gòu)（法蘭、焊縫等），也可以幫助設(shè)計(jì)者突破束縛實(shí)現(xiàn)功能最優(yōu)化設(shè)計(jì)。
一體化結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)除了帶來輕量化的優(yōu)勢(shì)，減少組裝的需求也為企業(yè)提升生產(chǎn)效益打開了可行性空間。這方面典型的案例是GE通過長達(dá)10多年的探索將其噴油嘴的設(shè)計(jì)通過不斷的優(yōu)化、測(cè)試、再優(yōu)化，將噴油嘴的零件數(shù)量從20多個(gè)減少到一個(gè)。通過3D打印將結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)一體化，不僅改善了噴油嘴容易過熱和積碳的問題，還將噴油嘴的使用壽命提高了5倍， 并且將提高LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。
途徑4：拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)
拓?fù)鋬?yōu)化展示件根據(jù)引用要求邊界條件，進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化處理及打印模型光順處理，實(shí)現(xiàn)了可打印性，最終減重了75％。
作為solidThinking及3－Matic軟件中國航空航天獨(dú)家代理商，鉑力特與Altair以及Materialise的“聯(lián)姻”為金屬3D打印提供了更多可能性。
拓?fù)鋬?yōu)化是縮短增材制造設(shè)計(jì)過程的重要手段，通過拓?fù)鋬?yōu)化來確定和去除那些不影響零件剛性的部位的材料。拓?fù)浞椒ù_定在一個(gè)確定的設(shè)計(jì)領(lǐng)域內(nèi)最佳的材料分布：包括邊界條件、預(yù)張力，以及負(fù)載等目標(biāo)。
拓?fù)鋬?yōu)化對(duì)原始零件進(jìn)行了材料的再分配，往往能實(shí)現(xiàn)基于減重要求的功能最優(yōu)化。拓?fù)鋬?yōu)化后的異形結(jié)構(gòu)經(jīng)過仿真分析完成最終的建模，這些設(shè)計(jì)往往無法通過傳統(tǒng)加工方式加工，而通過金屬3D打印則可以實(shí)現(xiàn)。
增材制造的發(fā)展已經(jīng)不單純是一個(gè)技術(shù)問題，而是一個(gè)生態(tài)問題了。當(dāng)然，在技術(shù)層面，3D打印仍在不斷創(chuàng)新、深入、延伸和融合；而在生態(tài)層面，增材制造正不斷向系統(tǒng)化、平臺(tái)化、生態(tài)化方向發(fā)展。在消費(fèi)級(jí)，3D打印傾向于個(gè)性化、定制化發(fā)展；在工業(yè)級(jí)，3D打印更強(qiáng)調(diào)金屬增材制造的低成本批量化應(yīng)用。任何技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展都有其成長軌跡，由于增材制造在數(shù)字化、輕量化、更好性能、更好設(shè)計(jì)、更利于建模模擬測(cè)試、更短制作周期等方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，其發(fā)展?jié)摿o疑是非常巨大的。
增材制造設(shè)計(jì)指南----雷尼紹
粉末床熔融金屬3D打印技術(shù)為構(gòu)建具有自由形狀和復(fù)雜特征的零件提供了極大的自由度，可直接根據(jù)CAD數(shù)據(jù)制造成品，無需使用成本高昂的加工工具。若以傳統(tǒng)方式來制造這些設(shè)計(jì)復(fù)雜的零件，則顯得非常不切實(shí)際，甚至根本不可能完成。增材制造技術(shù)制造的零件往往更輕、更高效且能夠更好地發(fā)揮工作性能。
然而，這并不是說這種靈活性能夠讓我們隨心所欲地設(shè)計(jì)任何想要的形狀，至少在成本的約束下，我們也不可能做到這一點(diǎn)。
在這方面，金屬3D打印專家英國雷尼紹總結(jié)了一系列的增材制造設(shè)計(jì)指南，在此，3D科學(xué)谷將分為兩期與谷友分享，本文為上半部分。
與任何制造工藝一樣，增材制造技術(shù)也有自己的優(yōu)勢(shì)和局限性。例如，對(duì)于采用激光粉末床熔融技術(shù)制作的零件，如果設(shè)計(jì)有懸伸部分 — 也就是具有要在未熔粉末的頂部進(jìn)行熔融加工的位置 — 則可能需要設(shè)計(jì)一次性支撐才能順利完成加工。這些支撐會(huì)增加加工時(shí)間、消耗更多材料，而且還需要額外的后處理來進(jìn)行移除。
圖片中零件功能雖經(jīng)優(yōu)化但并不是為用于增材制造 (AM) 而設(shè)計(jì)的零件可能需要大量支撐，導(dǎo)致它們的制造效率偏低。
因此，如果我們打算采用增材制造技術(shù)生產(chǎn)性能優(yōu)異的零件，同時(shí)又要兼顧經(jīng)濟(jì)和實(shí)用性，那么增材制造設(shè)計(jì) (DfAM) 就變得尤為重要。
下面我們開始介紹能夠提高增材制造加工的成功率及生產(chǎn)效率的諸多關(guān)鍵因素，并解釋了設(shè)計(jì)師在開發(fā)高效的生產(chǎn)零件時(shí)應(yīng)遵循的一些重要指導(dǎo)原則。
殘留應(yīng)力是快速加熱和冷卻的必然產(chǎn)物，這是激光粉末床熔化工藝的固有特性。每一個(gè)新的加工層都是通過如下方式構(gòu)建的：在粉末床上移動(dòng)聚焦激光，熔化粉末頂層并將其與下方的一個(gè)加工層熔合。熱熔池中的熱量會(huì)傳遞至下方的固體金屬，這樣熔融的金屬就會(huì)冷卻并凝固。這一過程非常迅速，大約只有幾微秒。
新的金屬層在下層金屬的上表面凝固和冷卻時(shí)會(huì)出現(xiàn)收縮現(xiàn)象，但由于受到下方固體結(jié)構(gòu)的限制，其收縮會(huì)導(dǎo)致層與層之間形成剪切力。
圖 ：激光在固體基體的頂部熔融金屬形成新的焊道（左）。激光沿著掃描矢量移動(dòng)并熔融粉末，隨后通過將熱量傳遞至下方的固體金屬，熔融后的粉末開始冷卻。凝固后，冷卻金屬收縮，該金屬層與下一層之間就會(huì)形成剪切力（右）。來源雷尼紹
殘留應(yīng)力具有破壞性。當(dāng)我們?cè)谝粋€(gè)加工層頂部增加另一個(gè)加工層時(shí)，應(yīng)力隨之形成并累積，這可能導(dǎo)致零件變形，其邊緣卷起，之后可能會(huì)脫離支撐：
在比較極端的情況下，應(yīng)力可能會(huì)超出零件的強(qiáng)度，造成組件破壞性開裂或加工托盤變形：
這些效應(yīng)在具有較大橫截面的零件中最為明顯，因?yàn)榇祟惲慵哂休^長的焊道，而且剪切力作用的距離更長。
解決這一問題的手段之一是改變我們的掃描策略，選擇一個(gè)最適合零件幾何形狀的方法。當(dāng)我們用激光軌跡填充零件中心時(shí)，通常會(huì)來回移動(dòng)激光，這一過程稱之為“掃描”。我們所選擇的模式會(huì)影響掃描矢量的長度，因此也會(huì)影響可能在零件上積累的應(yīng)力水平。采用縮短掃描矢量的策略，則會(huì)相應(yīng)減少產(chǎn)生的殘留應(yīng)力：
- 每層分為若干個(gè)5x5 mm的島狀區(qū)域
完成每層掃描后將整體模式和每個(gè)島狀區(qū)域旋轉(zhuǎn)67°
圖 ：掃描策略與適合它們的不同零件類型。兩種最常見的掃描策略分別是用于薄壁零件的“迂回”掃描（也稱為光柵掃描），及用于具有較厚截面的零件的“條紋”掃描。“棋盤”或“島狀”掃描策略也同樣有效。條紋和棋盤掃描可縮短各掃描線的長度，減少殘留應(yīng)力的累積。
我們也可以在從一個(gè)加工層移至下一個(gè)加工層時(shí)旋轉(zhuǎn)掃描矢量的方向，這樣一來，應(yīng)力就不會(huì)全部在同一平面上集中。每層之間通常旋轉(zhuǎn)67度，以確保在加工完許多層后掃描方向才會(huì)完全重復(fù)。
加熱加工托盤也是用于減少殘留應(yīng)力的一種方法，而序后熱處理也可減少累積的應(yīng)力。
“ 殘留應(yīng)力設(shè)計(jì)建議”- 盡可能通過設(shè)計(jì)消除殘留應(yīng)力- 在應(yīng)力可能較高的位置使用較厚的加工托盤
在任何疊層制造工藝中，加工方向始終限定在Z軸 — 即垂直于加工托盤。請(qǐng)注意，加工方向并非始終都是通用方向。應(yīng)當(dāng)選擇合適的方向，以便使用最少的支撐材料或不使用支撐材料來生產(chǎn)最穩(wěn)定的加工件。
在粉末床加工工藝中，由于形狀是一層層構(gòu)建起來的，因此層與層之間的關(guān)聯(lián)方式非常重要。當(dāng)每一層熔化時(shí)，它需要下面的一層來提供物理支撐和散熱路徑。
當(dāng)激光熔化粉末層時(shí)，如果粉末層下方為固體金屬，則熱量會(huì)從熔池傳遞至下方結(jié)構(gòu)，這會(huì)再次熔化部分固體金屬并形成牢固的焊接。隨著激光源移開，熔池也將快速凝固，因?yàn)闊崃恳驯挥行鬟f出去。
如果零件具有懸伸部分，那么熔池下方區(qū)域至少有一部分會(huì)是未熔粉末。這些粉末的導(dǎo)熱性遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于固體金屬，因此來自熔池的熱量會(huì)保留更長時(shí)間，導(dǎo)致周圍更多粉末燒結(jié)。結(jié)果可能是，多余材料附著在懸伸區(qū)域的底面，這意味著懸伸結(jié)構(gòu)可能呈現(xiàn)出畸形和粗糙的表面。
圖：在固體金屬上方熔化粉末能夠快速冷卻（左）。當(dāng)粉末熔化過程發(fā)生在懸伸區(qū)域時(shí)，由于其下方是未熔粉末，因此需要更長時(shí)間冷卻，而多余的材料可能會(huì)附著在零件的底面。來源雷尼紹
一般來說，與加工托盤形成的角度小于45度的懸伸結(jié)構(gòu)需要支撐。
懸伸表面被稱為下表層。它們通常會(huì)呈現(xiàn)出比垂直壁面和朝上表面更粗糙的表面。這種效果是熔池冷卻速度減慢導(dǎo)致懸伸結(jié)構(gòu)下方的粉末局部燒結(jié)所致。
通常能夠在多個(gè)方向上完成一個(gè)零件的加工。我們應(yīng)選擇可實(shí)現(xiàn)最理想的零件自身支撐的擺放方向，以便盡可能降低加工成本并減少后期處理工作。
圖：一個(gè)零件通?？裳囟鄠€(gè)方向完成加工，擺放方向的選擇將大大影響支撐材料用量以及所需的后處理工作量。從左起：
- 大懸臂，需要大量的支撐材料（顯示為藍(lán)色）
- 修改設(shè)計(jì)，添加額外的錐形以減少支撐，結(jié)果可導(dǎo)致零件質(zhì)量增加，可能需要后處理加工 / 線切割加工
- 傾斜45度 — 除了一個(gè)局部最低點(diǎn)外，大部分采用零件自身支撐（詳情請(qǐng)參見下文）。下表層和上表層將呈現(xiàn)出不同的表面粗糙度
- 倒置，底面采用短支撐 — 加工時(shí)間縮短，但后期需要對(duì)支撐面進(jìn)行精加工
緊密附著在粉末床上，留出適合電火花 (EDM) 移除的毛坯余量 — 殘留應(yīng)力可能是個(gè)問題
- 與前一種方式相似，但附著區(qū)域較少，減少了應(yīng)力累積 — 從制造角度來看，這可能是最高效的設(shè)計(jì)
- 最后一種方法（未顯示）是將零件平放在托盤上。這可以降低加工高度，但也會(huì)限制可在加工托盤上擺放的零件數(shù)量，并且容易形成更大的殘留應(yīng)力。
最好是在零件設(shè)計(jì)過程的前期便使用加工文件處理軟件評(píng)估各個(gè)擺放方向，以確定最有效的方式。一旦做好決定，便可以在此基礎(chǔ)上繼續(xù)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。
局部最低點(diǎn)是零件上未與下方粉末熔融層連接的任何區(qū)域。這些區(qū)域在加工過程中需要添加支撐來固定。如果在下方?jīng)]有支撐結(jié)構(gòu)的情況下開始加工，當(dāng)刮刀處理下一層時(shí)可能會(huì)造成第一個(gè)加工層發(fā)生位移，導(dǎo)致加工失敗。
局部最低點(diǎn)可能會(huì)非常明顯，如上例所示。它們也可能出現(xiàn)在與零件邊緣相交的橫孔和斜孔的頂部（如下例所示）。
如前所述，下表層的表面光潔度一般較差。如果我們要生產(chǎn)具有最佳精度的細(xì)節(jié)特征，那么最好將這些特征定位在零件的頂面，也就是上表層。嵌入下表層的細(xì)節(jié)特征很有可能會(huì)損失精度。
另一個(gè)要考慮的問題是零件相對(duì)于加粉刮刀的擺放方向。當(dāng)添加一層新的粉末時(shí)，刮刀會(huì)在粉末床上鋪開粉末，粉末逐漸被刮刀擠壓以形成新的密集層。當(dāng)材料被擠壓時(shí)會(huì)在粉末床上形成壓力波。該壓力波會(huì)與朝向刮刀方向傾斜的零件表面相互作用，向下擠壓粉末并向上擠壓零件的前邊緣。這可能會(huì)使零件鉤到刮刀上，導(dǎo)致加工失敗。請(qǐng)注意，柔性刮刀可以降低這種影響。
金屬增材制造設(shè)計(jì) — 入門指南 — 旋轉(zhuǎn)調(diào)整位置
支撐和斜邊的擺放應(yīng)盡可能遠(yuǎn)離刮刀方向。通過旋轉(zhuǎn)零件，壓力波現(xiàn)在能夠以傾斜的角度沖擊零件，因此降低了零件變形的可能性。
如果無法通過旋轉(zhuǎn)調(diào)整位置，或零件是旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的，則可能需要添加支撐，而受影響的加工面可能需要進(jìn)行后期處理。
- 設(shè)計(jì)用于增材制造的零件的加工擺放方向應(yīng)明顯- 設(shè)計(jì)師應(yīng)盡量創(chuàng)建自身支撐設(shè)計(jì)
- 殘留應(yīng)力和表面光潔度也是受擺放方向影響的重要因素
- 具有復(fù)雜幾何形狀的零件可能不太容易擺放 — 通常需要在表面質(zhì)量、細(xì)節(jié)、加工時(shí)間/成本和支撐結(jié)構(gòu)之間權(quán)衡取舍
- 設(shè)計(jì)師必須評(píng)估沖突因素以確定擺放方向正如我們之前討論的，依賴支撐來克服擺放方向問題不是一種好的工程設(shè)計(jì)實(shí)踐。雖然我們可能會(huì)容忍在制造原型零件時(shí)付出額外的加工時(shí)間和后期處理成本，但是此類浪費(fèi)在批量生產(chǎn)增材制造零件時(shí)則是難以接受的。過度依賴支撐表明這個(gè)零件的幾何形狀“不夠穩(wěn)固”，這對(duì)成品率有潛在影響。盡管我們可以通過設(shè)計(jì)來盡可能減少支撐，但有時(shí)也不可能將其完全消除。支撐有三大主要功能：隔離材料 — 支撐可用于“固定”未與前一層相連的材料（即與加工托盤形成的角度小于45°的懸伸結(jié)構(gòu)，或局部最低點(diǎn)特征）。最好是將支撐結(jié)構(gòu)集成到組件設(shè)計(jì)中。殘留應(yīng)力 — 我們應(yīng)通過設(shè)計(jì)來減小加工過程中的殘留應(yīng)力，避免尖銳邊緣，并避免大面積加工區(qū)域直接附著在加工托盤上。如果這點(diǎn)無法實(shí)現(xiàn)，那么可以應(yīng)用支撐來抵消零件中的應(yīng)力，防止材料從加工托盤上脫落。這一方法不推薦用于批量生產(chǎn)加工件。散熱通道 — 未熔粉末是一種絕熱體。支撐會(huì)從下表層區(qū)域轉(zhuǎn)移走一些熱量，這有助于避免粉末燃燒、過度熔化、變形和變色；對(duì)于正對(duì)刮刀方向的下表層，其效果尤為顯著。通過旋轉(zhuǎn)零件改變其與刮刀的相對(duì)朝向，也可減少上述不利影響。主要支撐指的是那些在CAD環(huán)境中隨組件一起開發(fā)的支撐，它是一次性結(jié)構(gòu)，當(dāng)加工完成時(shí)將被移除。輔助支撐是那些在加工文件處理軟件中生成的支撐。主要支撐的特點(diǎn)是堅(jiān)固，可控性更好?？梢詫⑺鼈儗?dǎo)入到加工文件處理軟件中（以STL形式），或與零件的主體一起設(shè)計(jì)。還可以使用完整的修訂控制功能將它們以參數(shù)的形式導(dǎo)出。也可以執(zhí)行有限元應(yīng)力分析。此外，我們可以設(shè)計(jì)和模擬主要支撐，讓其以可控方式傳遞熱量。在加工文件處理軟件中創(chuàng)建的輔助支撐也可通過參數(shù)進(jìn)行管理，但缺乏可追溯性和可重復(fù)性。如果更改零件設(shè)計(jì)，它們可能需要重建。
混合支撐設(shè)計(jì)充分利用CAD設(shè)計(jì)和加工文件處理軟件的優(yōu)勢(shì)來實(shí)現(xiàn)最佳方案。雖然0.3 – 1 mm的水平懸伸結(jié)構(gòu)可采用自身支撐，但是不建議這樣做。而超過1 mm的懸伸結(jié)構(gòu)則必須要重新設(shè)計(jì)或?yàn)槠涮砑又??？稍诮M件中添加圓角和倒角以消除懸伸結(jié)構(gòu)（如圖中所示）。孔洞和管道內(nèi)的支撐很難移除，并且可能需要后續(xù)加工。同樣，支撐太小也會(huì)給移除帶來難度。如果零件的幾何形狀比支撐更加脆弱，則在后期處理過程中零件損壞的風(fēng)險(xiǎn)較高。-- 水平細(xì)節(jié) — 添加支撐或重新設(shè)計(jì)零件側(cè)面露出的橫向孔可能也需要支撐。在大多數(shù)激光粉末床機(jī)器上可加工出的孔的最小尺寸為0.4 mm。直徑大于10 mm的孔洞和管道將需要在其中心添加支撐，此時(shí)應(yīng)考慮重新設(shè)計(jì)。直徑介于這兩個(gè)尺寸之間的孔洞可在不添加支撐的情況下加工，但它們的下表層表面可能會(huì)出現(xiàn)一些變形，這是因?yàn)閼疑觳糠稚戏降娜鄢乩鋮s速度減慢所致。由于水平孔的圓度很可能不會(huì)十分理想，因此更可行的方法通常是改變它們的形狀以便它們能夠采用自身支撐。在某些情況下，淚滴形或菱形孔都是可以接受的最終特征。兩種輪廓都可用于流體通道，并可提供相似的液壓性能，但是菱形孔能夠更好地抵抗流體壓力。在其他情況下，如果要求必須有高精度的圓孔，則需要進(jìn)行后期加工。菱形孔可用作銑削加工的對(duì)稱導(dǎo)孔，這點(diǎn)比淚滴形孔更好。在許多情況下，不在增材制造階段加工這些孔，而是在后期處理階段在實(shí)心結(jié)構(gòu)上鉆孔，這可能是最合理的方式。- 移除相對(duì)加工托盤的懸伸角度小于45°的區(qū)域- 旋轉(zhuǎn)下表層使其遠(yuǎn)離刮刀方向- 直接緊貼加工托盤完成零件加工，同時(shí)留有額外的加工余量拓?fù)鋬?yōu)化和衍生設(shè)計(jì)越來越多地用于設(shè)計(jì)具有更高效率的零件。網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)也具有減輕重量的優(yōu)勢(shì)。增材制造技術(shù)生產(chǎn)復(fù)雜形狀零件的能力使之成為實(shí)現(xiàn)此類設(shè)計(jì)的最佳方式。這些優(yōu)化技巧的主要目的是，在移除多余材料的同時(shí)保持結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛性。經(jīng)過優(yōu)化的零件通常呈現(xiàn)出更為復(fù)雜、有機(jī)的外觀。需要注意的是，功能經(jīng)過優(yōu)化的零件可能未必適合采用增材制造方式加工 — 尤其就加工零件擺放方向而言。圖：可明顯看到，以水平擺放方向加工該零件時(shí)，那些突出顯示為紅色的懸伸區(qū)域內(nèi)需要添加很多支撐。沿垂直方向重新擺放零件后，需要添加支撐的區(qū)域?qū)⒆兩?。圓孔等細(xì)節(jié)將需要添加支撐或重新設(shè)計(jì)。還需要注意的是優(yōu)化的支撐桿與圓角半徑的交匯角。在設(shè)計(jì)階段重新評(píng)估零件時(shí)已將擺放方向考慮在內(nèi)，因此，很顯然該零件在進(jìn)行增材制造加工時(shí)只有一個(gè)擺放方向?，F(xiàn)在要針對(duì)后期加工重新設(shè)計(jì)橫向孔等細(xì)節(jié)：- 考慮支撐定位和移除或重新設(shè)計(jì)以便無需添加支撐- 設(shè)計(jì)時(shí)考慮零件擺放方向并相應(yīng)修改細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)師可能需要結(jié)合各種優(yōu)化技巧 — 拓?fù)鋬?yōu)化、空心零件、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)（如適用）— 以實(shí)現(xiàn)高效的設(shè)計(jì)。零件擺放方向應(yīng)該是繼適用性、形狀及功能之后的又一個(gè)關(guān)鍵的設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)因素。
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