干货——直接金属3D打印的十大设计维度

每一种增材制造技术都有各自对应的设计原则，这样才能更好地发挥出技术本身的优势，提高部件生产质量。Proto Labs高级质量工程师Jonathan Bissmeyer向我们介绍了直接金属3D打印（DMLS技术）的“十大设计维度”，南极熊觉得，只有部件通过了拓扑优化和轻量化以后采可以最大限度发挥3d打印技术的优势，那么接下来随技术牛人一起看看如何才能更好地避免设计漏洞吧！

1.首先，直接金属3D打印的设计要专注两个要求：
减少部件数量在金属3D打印技术的基础上，可以将部件设计为一体化的，这样能减少大量的组装和维修功夫，从而节省成本。当然，这也有利于减重。

NextGen 3D打印汽车框架体现了一体化设计的概念。所有的钢制组件都能通过3D打印节点相连接，而这些节点的厚度和几何形状可以自由调整。

减重另一个减重的策略是，进行空心设计。对航天航空业等制造部门来说，减重很重要，因为可以节省燃油。

2.精度细节
直接金属3D打印设备可以实现0.006英寸的成型精度。对一些类似网格结构、尖锐的设计来说，这种精度太重要了。但当然并非部件的每一部分精度都得这么高。3D打印过程中的快速加热与冷却过程会对部件内部施加应力，从而产生一定变形，影响精度。

以上5个2英寸高的面板是按照不同厚度进行设计打印的。最薄的一个厚度仅为0.006英寸（0.15毫米）。右边的面板仅为四分之一英寸高，然后向左依次增加高度。这些部件中，1毫米厚度的部件是唯一一个没有发生翘曲的。

一个通用原则是，垂直部件高度与壁厚比应保持在40:1左右。设计时，可以减少无支撑垂直的结构，多在边缘部分设置包裹加固的部分。

3.表面精度
DMLS部件的表面光洁度通常被看作一大挑战。表面粗糙度会碎材料、构建参数，部件路径而变化。通过调节参数，可以从一定程度上降低表面粗糙度，但可能会相应地牺牲材料参数。

后续辅助操作（如机械加工、手工抛光）可以降低表面粗糙度，但一些特殊表面可能比较难直接处理。另外，这些后处理的成本是一大问题。

不同材料和打印路径的典型Ra值对比（设备为两台Concept Laer的DMLS 3D打印机）

通常来说，向下倾斜一定角度的表面最粗糙，而垂直侧壁表面表面会比较精细光洁。因此在进行3D打印之前，最好能先确定好关键表面和特征。

4.外部支撑
在DMLS部件中，设置支撑的原因有两个：将部件固定在合适位置、消除打印过程的内部应力。当部件有厚的横截面时，需要增加支撑防止翘曲。

无论是增加支撑，还是去支撑，都是要花时间、花成本的。因此设计时考虑这个方面，尽量减少支撑是很关键的。

5.内部特征
在增材制造的基础上，你可以在单个零件的文件中创建内部特征，但这必须谨慎。要考虑好通道尺寸和形状、悬垂距离、内部支撑角度和连接面的尺寸。

可以考虑用自支撑晶格结构代替内部空隙，这种做法不仅大大降低了部件重量，还可以减少打印时的内部应力。

6.内部（自）支撑
比如自支撑的角度设计。角度越低，支撑能力越小。实际的角度值要根据材料和打印路径进行调整，45°角一般能比较好地起到支撑作用，并保持一致的表面粗糙度。

7.悬垂结构
悬垂是设计中要考虑的一个关键组成部分。悬突是与逐渐自支撑角相比的几何形状的突然变化。 与其他3D打印技术不同，DMLS保留无支撑悬垂结构的能力有限。 无支撑悬垂达到0.020英寸（0.5毫米）的时候，很容易会出现构建失败的情况。

8.内部通道
越来越多的部件会设置共形冷却通道和模具空隙。随形冷却通道可以延长部件寿命。在内部通道的设置上，首先要了解尺寸限制。直径大于8毫米的通道可能会产生向下变形，这时候可能金刚石、水滴形状会比常规的圆形通道更好。

9.连接面
连接面是在两侧或多侧间起连接作用的平坦部分，在DMLS技术中，其无支撑距离跨度大于2毫米是，容易出现问题。

10.内部应力
快速加热和冷却产生了内部应力。垂直面/柱之间的过渡拱道可以减少或消除内部应力。

大的实心部件容易发生翘曲。除了打印起始位置不正确，低粘附性也可能是原因之一。增加支撑、设置更大的横截面，有助于消除内部应力。

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来源：3d打印世界
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