增材制造技術(shù)在加速發(fā)展并成為一種強(qiáng)大的生產(chǎn)技術(shù)，一個明顯的差距是大多數(shù)的設(shè)計工程師是在傳統(tǒng)的減材制造教育中成長的，轉(zhuǎn)換這一思維模式將需要花費(fèi)很多努力。不僅僅是調(diào)整一些規(guī)則，而是完整的教育和實(shí)踐的演變。當(dāng)設(shè)計師被要求通過3D打印實(shí)現(xiàn)創(chuàng)造性和創(chuàng)新性時，全新的設(shè)計思路就需要圍繞著符合產(chǎn)品功能的要求以及滿足增材制造技術(shù)的特點(diǎn)來展開。

傳統(tǒng)的減材制造是從一塊毛坯料開始的，減材制造對設(shè)計帶來的局限要求通過幾十年嚴(yán)格的規(guī)則和指導(dǎo)已經(jīng)占據(jù)了設(shè)計師的大腦。增材制造思維只能通過快節(jié)奏的方法迅速刷新設(shè)計師的思路，通過快速訓(xùn)練和重新審視他們的設(shè)計來切換到為增材制造而設(shè)計的軌道上。重要的是設(shè)計師需要認(rèn)識到，雖然增材制造的“復(fù)雜性是免費(fèi)的”，仍然有很多限制因素需要考慮，這就需要增材制造的指導(dǎo)方針，包括對成本、時間和質(zhì)量的考慮。

優(yōu)化設(shè)計

幾十年來，設(shè)計、制造和成本都“住在一個屋檐下”，理解這三者之間的關(guān)聯(lián)十分重要。對于增材制造來說，尤其需要考慮這三者的相互影響因素。傳統(tǒng)的設(shè)計需要幾個星期或幾個月才能實(shí)現(xiàn)和制造。據(jù)了解，增材制造周期有時很快，設(shè)計故障有時候隔夜就可以立即識別。這些設(shè)計、制造和成本的迭代發(fā)生的那么快，可以相互借鑒和融合成一種優(yōu)化設(shè)計的方法論。

為增材過程而設(shè)計

當(dāng)前增材制造的設(shè)計過程通常從現(xiàn)有的設(shè)計開始，特別是當(dāng)有了對當(dāng)前零件實(shí)現(xiàn)輕量化的需求時。零件的選擇過程、材料選擇和工藝選擇這些本身就是一個課題。

當(dāng)選擇了需要優(yōu)化的零件，你可以啟動CAD軟件包，并創(chuàng)建增材制造設(shè)計。

設(shè)計周期不是線性的，在每個設(shè)計階段你都面臨很多選擇。設(shè)計迭代取決于哪些參數(shù)必須優(yōu)化。例如，當(dāng)交貨時間緊迫的時候，你可能需要降低產(chǎn)品高度，且考慮多光束的加工條件，并通過獨(dú)特的設(shè)計減少后處理步驟的需要。

材料的性質(zhì)不同

增材制造合金的性能不等同于鍛造合金或鑄造合金，增材制造材料有著自己的設(shè)計體系，由于增材制造過程中遇到溫度梯度變化，材料性能和微觀結(jié)構(gòu)可以是各向異性的。熱處理可以改變微觀結(jié)構(gòu)，使其變得更加各向同性，但一些方向上不同的幾何效應(yīng)可能仍然存在。據(jù)了解，重要的是理解材料／工藝的組合選擇。甚至是成型方向?qū)τ诩庸さ慕Y(jié)果都會帶來明顯的影響。

考慮后處理

增材制造需要考慮兩種類型的CAD模型，一種是最終的幾何形狀，包括基準(zhǔn)的確定、加工尺寸公差要求、表面光潔度要求等。另一個同樣重要的CAD模型是供3D打印設(shè)備識別加工的模型，這個模型中可補(bǔ)孔、可增加支撐結(jié)構(gòu)、增加加工余量。

不同的后處理步驟取決于所使用的材料和技術(shù)。例如，電子束熔化（EBM）技術(shù)，則不需要消除應(yīng)力或機(jī)械分離零件與基臺，但確實(shí)需要去除部分燒結(jié)粉末。激光粉末床融化（LPBF）技術(shù)則需要消除應(yīng)力，并通常需要通過電火花線切割或鋸帶過程將零件從基臺板上拆卸下來。所有金屬3D打印的熱處理通常包括熱等靜壓（HIP）工藝，以減少材料內(nèi)的空隙和孔隙率。另外，有些材料可能需要熱處理以達(dá)到所需的微觀結(jié)構(gòu)要求。

粉末熔化及脫粉的優(yōu)缺點(diǎn)

在設(shè)計零件的時候，一個重要考慮因素是如何去除粉末。電子束熔煉（EBM）最好的做法是需要在基臺上建造一定的余量，特別是如果零件有嚴(yán)格的幾何形狀要求。不銹鋼板可能會影響建造的前幾層，所以留至少3mm至5mm的部分用作建造余量，這3mm到5mm可以作為支撐結(jié)構(gòu)被去掉。EBM過程的一個優(yōu)點(diǎn)是：由于在整個加工過程中的低殘余應(yīng)力，設(shè)計僅需要較少的支撐，并且零件通常容易脫落。

電子束熔煉（EBM）過程中，一大考慮因素是粉末的去除，一方面，EBM預(yù)熱步驟提供了更好的零件完整性，但粉末去除是一個挑戰(zhàn)。在預(yù)熱步驟中，周圍的固體粉末部分燒結(jié)，有時使其難以從長腔中除去。這部分燒結(jié)粉末并不流動。如果你加工的是髖關(guān)節(jié)植入物，這部分粉末必須被去除，否則會對人體存在傷害隱患。對于設(shè)計者來說就是需要設(shè)計清掃半徑，同時最大限度地提高視線腔，使粉末去除更容易。

激光粉末床融化（LPBF）技術(shù)的加工過程中，激光系統(tǒng)提供了一個好處，即粉末容易流動。當(dāng)需要復(fù)雜的內(nèi)腔時，激光加工技術(shù)過程提供了去除粉末的優(yōu)勢。然而，即使粉末更容易流出空腔，粉末必須在應(yīng)力消除前以及在零件從基臺上分離前去除。因此，如果內(nèi)部空腔埋在支撐結(jié)構(gòu)中或不能達(dá)到真空，就需要在零件的某些部位增加粉末去除的設(shè)計，常見的是添加孔到所建的模型中，事后這些孔通過補(bǔ)焊的方式來去除。

激光加工過程中，零件和基臺基本上是焊接在一起的，這增加了零件拆卸的復(fù)雜性，并增加了整個過程的時間。據(jù)了解，零件必須用機(jī)械方法如電火花線切割或鋸帶來切除。電火花線切割是一個更準(zhǔn)確的過程，所以在設(shè)計的時候去除余量基本在3mm厚，而如果用鋸來分離零件，建議至少添加5mm的余量。

熱處理

在大多數(shù)情況下，熱處理都不會改變設(shè)計，除非在熱過程中發(fā)生顯著的失真。由于殘余應(yīng)力的影響，很難通過激光熔化的方式來生產(chǎn)大的部件。EBM一般在水平和垂直方向不需要應(yīng)力消除步驟。

如果在熱處理過程中，幾何失真成為一個問題，可以在設(shè)計過程中考慮添加一些選項(xiàng)，例如在薄壁構(gòu)件周圍加上犧牲的節(jié)點(diǎn)或框架，這樣就可以在熱處理過程中提供穩(wěn)定性。

表面光潔度補(bǔ)償

表面光潔度也取決于零件表面的建構(gòu)方向，頂面可以相對光滑，垂直的表面通常比較粗糙但具有一致的光潔度，與基臺所呈角度越趨向90°，表面越粗糙。一般來說可以通過優(yōu)化粉末和激光參數(shù)，提高表面光潔度。不過粉末顆粒大小、激光功率、以及加工時間和表面光潔度之間存在著一定的相互制約，這需要全方面的權(quán)衡。

為了達(dá)到要求的表面光潔度，可以通過后期的機(jī)加工來完成，這就需要考慮材料的去除率和補(bǔ)償，例如，如果需要去除0．05cm的厚度，在設(shè)計的時候就需要添加0．05cm。以便后處理后， 零件將符合要求的尺寸公差。

當(dāng)試圖補(bǔ)償表面光潔度時，設(shè)計者還必須考慮過程本身的物理特性。例如，角落會表現(xiàn)出更積極的材料去除率，所以必須在這些位置提高輪廓公差。

除了外部表面光潔度，內(nèi)腔往往需要一定的暢通性，設(shè)計者必須考慮這些材料去除率和補(bǔ)償。

機(jī)加工

如前所述，大多數(shù)零件必須通過機(jī)加工的方法來獲得所需要的精度。3D打印過程不能達(dá)到關(guān)鍵公差要求，必須通過傳統(tǒng)的CNC工藝來達(dá)到一致性。設(shè)計需要考慮，如何使數(shù)控加工更有效。

設(shè)計者和制造工程師應(yīng)該合作，以了解該零件如何在數(shù)控加工過程中放置。利用增材制造的優(yōu)勢，一些必要的標(biāo)簽、引腳、孔、槽，甚至臨時處理部分都可以添加到打印過程中，以幫助適應(yīng)后期夾具和刀具的配合工序。