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金屬增材制造設(shè)計(jì) — 入門指南

2018-3-12 來(lái)源：轉(zhuǎn)載作者：-

增材制造 (AM) 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(wú)需使用成本高昂的加工工具。若以傳統(tǒng)方式來(lái)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(shuō)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)。

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化技術(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(lái)進(jìn)行移除。

功能經(jīng)過(guò)優(yōu)化的零件

下圖 — 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。“拓?fù)鋬?yōu)化確實(shí)是最優(yōu)的嗎？”一文介紹了功能優(yōu)化與工藝設(shè)計(jì)之間的緊密聯(lián)系。

本文則介紹了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(kāi)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。

因素1 — 殘留應(yīng)力

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(guò)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(guò)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。

上圖 — 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(guò)將熱量傳遞至下方的固體金屬，熔融后的粉末開(kāi)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）。

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(kāi)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(zhǎng)的焊道，而且剪切力作用的距離更長(zhǎng)。

盡可能減小殘留應(yīng)力

解決這一問(wèn)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(lái)回移動(dòng)激光，這一過(guò)程稱之為“掃描”。我們所選擇的模式會(huì)影響掃描矢量的長(zhǎng)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：

迂回掃描模式

• 完成每層掃描后旋轉(zhuǎn)67°

• 加工效率較高

• 殘留應(yīng)力逐漸增加

• 適合小、薄特征

條紋掃描模式

• 殘留應(yīng)力均勻分布

• 適合大型零件

• 加工效率高于棋盤掃描模式

棋盤掃描模式

• 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°

• 殘留應(yīng)力均勻分布

• 適合大型零件

上圖 — 掃描策略與適合它們的不同零件類型。兩種最常見(jiàn)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(zhǎng)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(lái)，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(guò)設(shè)計(jì)消除殘留應(yīng)力：

• 避免大面積不間斷熔化

• 注意橫截面的變化

• 混合加工將較厚的底板整合到增材制造零件中

• 在應(yīng)力可能較高的位置使用較厚的加工托盤

• 選擇一種合適的掃描策略

因素2 — 方向

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(lái)生產(chǎn)最穩(wěn)定的加工件。

懸伸部分和熔融過(guò)程

在粉末床加工工藝中，由于形狀是一層層構(gòu)建起來(lái)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(lái)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(kāi)，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(lái)自熔池的熱量會(huì)保留更長(zhǎng)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。

上圖 — 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(guò)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(zhǎng)時(shí)間冷卻，而多余的材料可能會(huì)附著在零件的底面。

擺放方向選擇

一般來(lái)說(shuō)，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。

局部最低點(diǎn)

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(guò)程中需要添加支撐來(lái)固定。如果在下方?jīng)]有支撐結(jié)構(gòu)的情況下開(kāi)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）。

特征擺放方向

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(wèn)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(kāi)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。

上圖 — 加粉刮刀和零件斜邊的相互作用。

支撐和斜邊的擺放應(yīng)盡可能遠(yuǎn)離刮刀方向。通過(guò)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(wú)法通過(guò)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。

擺放設(shè)計(jì)建議

. 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)

. 加工成功是首要考量

. 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

. 擺放方向可影響加工時(shí)間和成本

. 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

因素3 — 支撐

正如我們之前討論的，依賴支撐來(lái)克服擺放方向問(wèn)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(guò)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。

支撐目的

盡管我們可以通過(guò)設(shè)計(jì)來(lái)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(guò)設(shè)計(jì)來(lái)減小加工過(guò)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(wú)法實(shí)現(xiàn)，那么可以應(yīng)用支撐來(lái)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(guò)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(guò)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。

主要支撐和輔助支撐

主要支撐指的是那些在CAD環(huán)境中隨組件一起開(kāi)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。

在CAD環(huán)境中開(kāi)發(fā)的排氣管的主要支撐

在加工文件處理軟件中開(kāi)發(fā)的排氣管的輔助支撐

主要支撐的特點(diǎn)是堅(jiān)固，可控性更好。可以將它們導(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(guò)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(lái)實(shí)現(xiàn)最佳方案。

圓角和倒角

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(guò)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巍？稍诮M件中添加圓角和倒角以消除懸伸結(jié)構(gòu)（如圖中右側(cè)所示）。

關(guān)于移除支撐的挑戰(zhàn)

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(lái)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(guò)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。

將10 mm以上的孔改造成自身支撐的菱形孔

使用倒角半徑以避免較高支撐

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

在增材制造加工完成后再加工小型特征

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

移除水平下表層區(qū)域

因素4 — 優(yōu)化

拓?fù)鋬?yōu)化和衍生設(shè)計(jì)越來(lái)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(guò)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(guò)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

例如，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兩佟A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。現(xiàn)在要針對(duì)后期加工重新設(shè)計(jì)橫向孔等細(xì)節(jié)：

優(yōu)化設(shè)計(jì)建議

. 應(yīng)用最小壁厚準(zhǔn)則

. 確定用于加工的臨界表面

. 考慮支撐定位和移除或重新設(shè)計(jì)以便無(wú)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)

. 確定是否可達(dá)到要求的表面光潔度

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。

總結(jié)

增材制造技術(shù)為生產(chǎn)高效、高性能的零件提供了極大的設(shè)計(jì)自由。但是要想以最低的成本和最少的浪費(fèi)來(lái)批量生產(chǎn)零件，則必須充分考慮增材制造的工藝特性。

將增材制造設(shè)計(jì) (DfAM) 思想融入設(shè)計(jì)過(guò)程，這有助于最大程度提高加工成功率，并增強(qiáng)增材制造工藝的經(jīng)濟(jì)效益。毋庸置疑的是，設(shè)計(jì)師要想更具競(jìng)爭(zhēng)力，則不僅必須頭腦更加靈活，還應(yīng)對(duì)增材制造工藝有更為深入的了解。

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