增材設(shè)計（DfAM）在3D打印中至關(guān)重要的10個原因

在增材制造領(lǐng)域，建模設(shè)計對于零件的創(chuàng)建有著至關(guān)重要的作用，它也是任何 3D 打印過程的第一步。DfAM 被定義為增材制造的“可制造性設(shè)計”，或者更簡單地定義為可以優(yōu)化使用增材制造創(chuàng)建的零件的設(shè)計方法和工具，DfAM 允許用戶利用 3D 打印中存在的設(shè)計自由度的優(yōu)勢它是制造功能性、高性能零件的關(guān)鍵。

但是為什么DfAM如此重要？它能給零件帶來哪些好處？接下來我們將對這些問題展開探討，并列出了DfAM在3D打印中的重要性的10個原因：

1. 減少 3D 打印錯誤

打印失敗是任何3D打印用戶的都難以接受的結(jié)果。特別是當(dāng)涉及高度工業(yè)化的工藝時，例如使用激光的LPBF或SLS ，或PEEK 和 PEKK等昂貴的材料，毀壞零件的小錯誤確實會在成本和時間方面給用戶造成損失。這就是DfAM 的體現(xiàn)價值的地方。通過設(shè)計，不僅可以正確定向和支撐模型（這兩者對于確保各向同性等屬性和確保不會翹曲都大有幫助），還可以允許用戶選擇正確的填充和零件的圖層設(shè)置。這反過來又顯著減少了打印失敗。

△校正方向是 DfAM 中的考慮因素之一（照片來源：Protolabs）

2. 更快的打印

速度是增材制造的核心優(yōu)勢，因為這些技術(shù)使用戶能夠以傳統(tǒng)制造方法所用時間的一小部分來制造零件。然而，這個速度并不是給定的。通過使用 DfAM，可以使用晶格結(jié)構(gòu)等來優(yōu)化設(shè)計，以保持強(qiáng)度，同時最大限度地減少需要使用的材料量。它還將允許用戶最小化支撐結(jié)構(gòu)，減少了打印時間。

3. 更復(fù)雜的設(shè)計

在 3D 打印中，當(dāng)設(shè)計更加復(fù)雜時，不會遇到額外的困難。因此，DfAM 允許用戶創(chuàng)建比使用更傳統(tǒng)的設(shè)計規(guī)則創(chuàng)建的幾何形狀復(fù)雜得多的幾何形狀。通過軟件，可以設(shè)計并打印幾何形狀更加復(fù)雜的零件，尤其是金屬零件。這種復(fù)雜性正是我們真正看到 3D 打印為用戶帶來更大幾何自由度的地方。

4. 優(yōu)化重量性能比

DfAM允許用戶利用不同的設(shè)計軟件來全面優(yōu)化零件。3D 打印在航空航天和汽車等領(lǐng)域如此受歡迎的原因之一在于它可以制造出更輕的零件，同時仍保持其強(qiáng)度和其他性能，這意味著優(yōu)越的重量性能比。這尤其可以通過 DfAM 來完成，例如通過集成晶格結(jié)構(gòu)或使用零件的拓?fù)鋬?yōu)化和生成設(shè)計。這些專門設(shè)計用于優(yōu)化和生成零件，以減少材料，同時仍滿足強(qiáng)度等特定約束。雖然在傳統(tǒng)制造中，最終的零件可能過于復(fù)雜而無法制造，但如上所述，這在 3D 打印中不是問題。

△DfAM的使用方法之一是拓?fù)鋬?yōu)化（照片來源：nTop）

5. 更少的支撐結(jié)構(gòu)

3D打印從業(yè)者很容易將支撐結(jié)構(gòu)視為3D 打印中的“必要之惡”。雖然支撐對于確保零件在 3D 打印過程中不會變形或翹曲絕對至關(guān)重要，但它們也意味著更多的材料使用（影響成本和時間），這反過來又會使后處理時間更長并影響外觀的部分。這就是 DfAM 可以發(fā)揮作用的地方。通過仔細(xì)設(shè)計零件，例如減少懸伸、改進(jìn)方向或正確選擇填充設(shè)置，用戶在制造零件時可以減少支撐。

6. 減少后處理

繼續(xù)上一點，DfAM 重要的另一個重要原因是它將允許用戶減少整體的后處理流程。當(dāng)然，能夠做到這一點的主要原因之一是通過優(yōu)化支撐結(jié)構(gòu)，這意味著拆除它們將花費更少的時間，但還有其他考慮因素。例如，通過正確定位零件或降低層高（這都是 DfAM 中的重要考慮因素），可以在打印開始之前就解決表面平滑度等問題。如果不考慮這些因素，后期處理通常會花費更長的時間，因此轉(zhuǎn)向 DfAM 是有好處的。

7. 零件整合

DfAM 重要的另一個原因是零件整合。使用增材制造的一個日益流行的原因，尤其是在航空航天和汽車等領(lǐng)域，是能夠通過更復(fù)雜的幾何形狀將多個零件整合為一個零件。其中一個例子是 Czinger 21C 超級跑車，制造商 Divergent 3D 聲稱它能夠?qū)��?shù)千個零件整合為幾百個零件，從而顯著降低了重量并提高了性能。這種類型的整合只能通過 3D 打印實現(xiàn)，并且可以通過學(xué)習(xí)和采用 DfAM 規(guī)則來完成。

8. 提高可擴(kuò)展性和批量生產(chǎn)

誠然，DfAM不一定同樣適用于每種3D 打印技術(shù)。由于各種原因，并非所有這些都非常適合大規(guī)模生產(chǎn)或可擴(kuò)展性。然而，對于 SLS、DMLS、樹脂 3D 打印和粘合劑噴射等技術(shù)，DfAM 在擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模方面可以發(fā)揮關(guān)鍵作用。通過 DfAM，可以通過堆疊將最大數(shù)量的零件放置在構(gòu)建體積上。此外，將 DfAM 考慮在內(nèi)可以幫助用戶克服 3D 打印難以進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)的主要挑戰(zhàn)。

△使用樹脂3D 打印制成的堆疊式 3D 打印零件（照片來源：3DSystems）

9. 成本優(yōu)化

復(fù)雜的幾何形狀和更輕的零件是 DfAM 重要的關(guān)鍵原因，但如果成本太高，那么能夠創(chuàng)建它們有什么好處呢？幸運的是，DfAM 實際上已被證明可以降低制造零件的成本。2020 年，Barnes Group 認(rèn)為增材制造零件成本的 86% 是由設(shè)計驅(qū)動的，這一點已被一再證明。只有通過設(shè)計，您才能減少材料的使用量，同時繼續(xù)保持強(qiáng)度和其他性能，最終影響零件的成本。此外，重要的是要考慮到更復(fù)雜并不意味著更昂貴。事實上，通過改進(jìn)設(shè)計，情況可能恰恰相反！

10. 基于3D技術(shù)的優(yōu)化

最后但同樣重要的一點是，DfAM 很重要，因為它允許用戶根據(jù)所使用的特定 3D 打印技術(shù)來優(yōu)化零件。3D 打印技術(shù)有七個技術(shù)系列，其中包含更多的工藝，它們之間存在顯著的差異。一個例子是基于粉末的技術(shù)，其中設(shè)計可能應(yīng)該集成逃逸孔，以確保零件打印為空心（這在 FDM 或樹脂 3D 打印中不會是問題）。同時，在 FDM 3D 打印中，各向異性很常見，因此必要時考慮 DfAM 可以幫助改善零件的各向同性。