增材制造設(shè)計(jì)：3D 打印的最佳實(shí)踐（上）-馬路科技
使用 3D 打印設(shè)計(jì)定制的解決方案對(duì)于想要?jiǎng)?chuàng)建和優(yōu)化 DIY 項(xiàng)目的 3D 打印愛好者來說有著無限可能。 同時(shí)，不只是個(gè)人，當(dāng)您擁有大幅面 BigRep 打印機(jī)時(shí)，增材制造 (AM) 的優(yōu)勢(shì)在工業(yè)規(guī)模上也呈指數(shù)級(jí)增長。
除了設(shè)計(jì)自由之外，3D 打印機(jī)還有著定制成本低、迭代快、加速上市時(shí)間、減少材料浪費(fèi)以及避免復(fù)雜的物流和供應(yīng)鏈等額外好處。 然而，并非所有設(shè)計(jì)都適合增材制造。 正確的認(rèn)識(shí)3D打印適合的設(shè)計(jì)在充分利用打印機(jī)上至關(guān)重要，尤其是在最早的設(shè)計(jì)和概念化階段。 這就是增材制造設(shè)計(jì) (DfAM) 促使項(xiàng)目成功或延緩項(xiàng)目上線的地方。
什么是增材制造設(shè)計(jì)？
增材制造 (AM) 是通過構(gòu)建層數(shù)來創(chuàng)建對(duì)象的過程。它與減材制造相反，在減材制造中，物體是通過切割固體材料塊來完成最終產(chǎn)品的，例如 CNC 加工。 雖然這些術(shù)語經(jīng)?；Q使用，但最常見的增材制造形式是 3D 打印。 DfAM 是一種專門為增材制造設(shè)計(jì)零件的方法，增材制造具有不同于注塑成型或鑄造等其他常見制造工藝的獨(dú)特要求。DfAM與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)之間的關(guān)鍵區(qū)別在于，DfAM 原則指導(dǎo)設(shè)計(jì)人員充分利用 3D 打印的獨(dú)特功能，同時(shí)通過智能解決方案避免其某些限制。
本指南將解釋使設(shè)計(jì)非常適合 3D 打印的一些因素，此外還將介紹 DfAM 原則，以便您可以最大限度地提高 3D 打印效果。
為什么 DfAM 很重要
了解 DfAM 對(duì)于獲得成功、可重復(fù)和可擴(kuò)展的結(jié)果并最大限度地發(fā)揮 3D 打印能力至關(guān)重要。 您將從遵循 DfAM 指南中得到什么？
降低材料和零件成本：通過實(shí)施 DfAM 原則，可以避免不必要的支撐，從而減少材料并降低打印成本。 通過使用創(chuàng)成式設(shè)計(jì)軟件和 AI，可以設(shè)計(jì)零件以最大限度地減少材料使用，同時(shí)輕松滿足所有必要的零件要求。
更快的打印時(shí)間：大型 3D 打印可能運(yùn)行數(shù)天甚至數(shù)周！但是，當(dāng)組件針對(duì)增材制造進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，您可以實(shí)施最有效的打印計(jì)劃，確保盡可能短的打印時(shí)間。
提高可擴(kuò)展性：通過使用 DfAM 原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)可以在各種打印機(jī)上打印，并且無需進(jìn)行重大調(diào)整即可按比例放大或縮小。 3D 打印機(jī)還可以生產(chǎn)連續(xù)批次的打印件，或者在某些情況下，可以并行打印，從而大大加快生產(chǎn)每個(gè)零件所需的時(shí)間。
提高零件強(qiáng)度：利用增材制造設(shè)計(jì)原則，您可以提高 3D 打印的強(qiáng)度，此外您還可以改變零件重量、柔韌性等因素。 具有衍生式設(shè)計(jì)功能的 CAD 軟件使用算法來生成滿足強(qiáng)度和性能要求的幾何形狀。
DfAM 最佳實(shí)踐
增材制造的設(shè)計(jì)帶來許多整體優(yōu)勢(shì)，但設(shè)計(jì)選擇將受到 3D 打印技術(shù)類型的影響。 然而，無論采用何種 3D 打印技術(shù)，DfAM 最佳實(shí)踐都將幫助您減少材料使用和打印時(shí)間、整合部件并優(yōu)化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和性能。
1. DfAM 取決于您的特定 3D 打印機(jī)
在開始設(shè)計(jì) 3D 打印之前，您必須了解可用的不同類型的打印工藝流程。最流行的 3D 打印工藝包括 FFF（通常也稱為商標(biāo)術(shù)語 FDM）、SLA 和 SLS。
FFF（熔絲制造）3D 打印：由沉積在構(gòu)建平臺(tái)上的熔化塑料層組成。塑料以纏繞的細(xì)絲形式通過加熱的噴嘴送入，噴嘴將會(huì)軟化材料并將其擠出成細(xì)流。然后打印機(jī)根據(jù)打印模型的設(shè)計(jì)規(guī)范放置熔化的塑料。每完成一層，大幅面 FFF 3D 打印機(jī)的擠出機(jī)將在 Z 軸上向上移動(dòng)一層高度，另一層沉積在頂部。 對(duì)于一些較小的桌面打印機(jī)，構(gòu)建平臺(tái)會(huì)降低一層高度以打印下一層。 這個(gè)過程一直持續(xù)到模型完成。桌面 FFF 3D 打印機(jī)相對(duì)簡單且價(jià)格低廉，使其成為愛好者和家庭用戶中最受歡迎的 3D 打印機(jī)類型之一。 然而，大幅面和專業(yè)的 FFF 機(jī)器可以產(chǎn)生高質(zhì)量的結(jié)果，使其成為專業(yè)和工業(yè)應(yīng)用的可行選擇。任何 FFF 3D 打印機(jī)都需要為懸垂角度和跨接距離超出限制的零件提供支撐結(jié)構(gòu)。根據(jù) FFF 3D 打印機(jī)的型號(hào)，最小壁厚、層高和其他設(shè)置會(huì)有所不同。 FFF 3D 打印機(jī)可以打印多種材料，但幾乎所有的細(xì)絲都是某種類型的聚合物，其中還可能包含纖維、金屬、木材或其他添加劑。一些 FFF 打印機(jī)可以使用水溶性材料打印支撐結(jié)構(gòu)，然后將其溶解在水中以便于去除。
SLA（立體光刻）3D打?。?/strong>使用紫外 (UV) 光一次固化一層光敏樹脂。隨著每一層的打印，正在進(jìn)行的打印的樹脂桶會(huì)降低一層厚度。 SLA 打印可能需要一些支撐結(jié)構(gòu)，這與 FFF 支撐略有不同，并且在水溶性材料中不可用。 SLA 打印件通常需要在打印后進(jìn)行清潔去除殘留的未固化樹脂。
SLS（選擇性激光燒結(jié)）3D打?。?/strong>使用激光逐層融合粉末材料以創(chuàng)建 3D 物體。每打印一層后，粉末床會(huì)降低一層厚度，以便可以在上面燒結(jié)另一層。 SLS 打印件不需要支撐結(jié)構(gòu)，因?yàn)榇蛴〖诖蛴∵^程中被未燒結(jié)的粉末包圍。 完成的 SLS 打印通常需要清潔，有時(shí)需要使用專用機(jī)器，以去除 3D 打印部件上的松散粉末。
2. 減少材料用量和打印時(shí)間
在為增材制造設(shè)計(jì) 3D 模型時(shí)，考慮所需材料的數(shù)量和生產(chǎn)成品所需的時(shí)間很重要。減少材料使用可以降低整體生產(chǎn)成本并加快制造過程。您可以通過以下方式最大限度地減少材料：
減少模型中的表面細(xì)節(jié)：大多數(shù) 3D 打印軟件都有用于減少 3D 模型中的表面細(xì)節(jié)的特定工具。
調(diào)整切片器設(shè)置：您可以減少填充百分比、墻壁數(shù)量等。
重新定向零件：通過優(yōu)化零件方向減少打印時(shí)間、材料使用和支持要求。
3. 零件合并
3D 打印的一個(gè)好處是，傳統(tǒng)上需要單獨(dú)生產(chǎn)然后組裝的部件可以作為一個(gè)單一的、合并的部件進(jìn)行 3D 打印。這樣您可以減少打印時(shí)間、提高生產(chǎn)速度、減少裝配時(shí)間并增強(qiáng)零件強(qiáng)度。零件合并可能只有 3D 打印零件才有可能，通過使用 DfAM 指南，您可以最大限度地利用增材制造的好處。 零件合并的好處包括：
將多個(gè)零件組合在一起，減少需要制造的零件總數(shù)
減少制造每個(gè)零件所需的時(shí)間
減少制造過程中產(chǎn)生的廢料
通過降低內(nèi)應(yīng)力提高最終零件的機(jī)械性能
4. 拓?fù)鋬?yōu)化
拓?fù)鋬?yōu)化原則旨在使用最少量的材料來滿足給定的性能要求，同時(shí)最大限度地減少組件的重量。首先，您必須指定機(jī)械性能要求（例如剛度或強(qiáng)度）和設(shè)計(jì)約束（例如最大允許應(yīng)力或位移）。 一些 CAD 軟件可以模擬您的零件在不同負(fù)載下的響應(yīng)方式。根據(jù)分析結(jié)果，您可以自動(dòng)調(diào)整各種設(shè)計(jì)參數(shù)，直到找到最佳解決方案。
拓?fù)鋬?yōu)化可以提高組件的強(qiáng)度、剛度或重量，并降低制造成本。它通常與有限元分析 (FEA) 一起使用，以評(píng)估設(shè)計(jì)變更對(duì)組件性能的影響。 然后可以使用結(jié)果來創(chuàng)建更高效和有效的新設(shè)計(jì)。
馬路科技（RATC）成立于1996年，是以三維測(cè)量、三維掃描、逆向工程以及三維打印等先進(jìn)技術(shù)為導(dǎo)向的科技公司，客戶主要來自汽車、航空航天以及消費(fèi)品等產(chǎn)業(yè)。馬路科技共有八個(gè)服務(wù)點(diǎn)，有超過200名專家提供在地專業(yè)技術(shù)支持及服務(wù)。?
