增材制造六個設計要素-如何降低制造成本、提高效益

3D打印技術能夠通過降低模具成本，減少材料，減少裝配，減少研發(fā)周期等優(yōu)勢來降低企業(yè)制造成本，提高生產效益。那么，是不是將原有的設計思維和對于制造成本的管控方式直接挪到3D打印這種增材制造方式中來就可以發(fā)揮出3D打印的優(yōu)勢了呢？ 面對3D打印技術，企業(yè)是緊盯3D打印對制造成本的影響，還是放眼全局？

接下來，將結合美國大型3D打印服務企業(yè)Proto Labs的應用工程師所總結的增材制造六個設計要素，來剖析如何才能夠減少3D打印帶來的額外制造成本，更好的發(fā)揮3D打印在降低企業(yè)制造成本和提高綜合效益方面的優(yōu)勢。

--1. 優(yōu)化設計
精心設計的3D打印零件遵循的許多原則與注塑成型相似，比如說：在相鄰表面之間使用漸變過渡；避免橫截面積和零件體積之間的差異巨大的情況；避免出現(xiàn)在成品工件上產生殘留應力的尖角；無支撐的薄壁結構不能過高，否則會出現(xiàn)翹曲。請參考延伸閱讀：金屬3D打印-增材制造設計指南（上）

--2.拋棄傳統(tǒng)
典型的3D打印零件往往帶有仿生設計，比如說蜂窩結構或復雜點陣結構。不要害怕在設計時使用這種結構，只要它們能夠創(chuàng)造出更輕、更堅固的部件。

不必忌諱在設計中使用孔狀結構，因為通過傳統(tǒng)制造方式在零件中鉆孔無形中增加了材料的浪費，從而導致成本上升。

但應注意的是，在增材制造時，尤其是選區(qū)激光熔融金屬3D技術制造圓孔時需綜合考慮是否添加孔洞的支撐結構以及下表面可能會出現(xiàn)的變形情況，有些情況下，考慮采用淚滴形或六角形等孔形結構來代替圓孔是更好的設計方式。請參考延伸閱讀：金屬3D打印-增材制造設計指南（下）

--3.綜合考慮零件大批量生產時的制造方式
3D打印技術能夠實現(xiàn)自由造型，為零件設計創(chuàng)新帶來了很大空間，比如說3D打印技術可以制造出具有很多孔洞結構的零件，但這并不意味著一定要這樣來設計零件。

這是由于，很多企業(yè)認識到3D打印技術能夠勝任零部件小批量生產，但是一旦企業(yè)所需要的產量大量上升時，仍需要考慮轉換成機械加工、鑄造等傳統(tǒng)工藝，在這種情況下，設計師需要在設計早期就綜合考慮零件將來投入量產時所采用的制造工藝是否也同樣能夠成功的實現(xiàn)出設計方案，從而在設計時做出權衡。

在設計周期早期進行可制造性（DFM）分析非常重要，做到這一點將確保企業(yè)在整個零件生命周期中實現(xiàn)具有成本效益的生產。

--4.減少打印后的二次操作
部分3D打印工藝中需要為打印零件添加支撐結構，以防止零件卷曲和翹曲，例如在使用選區(qū)激光熔融設備加工金屬零件時，通常需要為懸伸結構添加支撐；立體光固化（SLA）3D打印中，也存在著需要添加支撐結構的情況。

打印中形成的金屬支撐結構，在打印完成之后需要通過機加工等方式去除，塑料支撐結構需要通過手持磨砂機等方式加以去除。但不論是何種去支撐的方式，都會增加成本，延發(fā)制造周期。因此設計時應考慮通過改變設計、改變零件擺放的等方式來盡量避免為零件添加支撐結構。

--5.觀察公差
為了滿足金屬零部件對公差的要求，有時配合使用機械加工等二次加工工藝是必要的，但過度追求公差要求將會對3D打印零件的設計和制造產生影響，比如說為過度追求精度而增加打印層數(shù)，從而導致打印時間和打印成本增加。延伸閱讀：金屬3D打印零件機械加工中的挑戰(zhàn)和解決方案；3D打印后處理的“門道”

采用恰當?shù)脑O計策略，有時可以減少使用打印后處理工藝，比如說懸伸結構表面（下表層），通常比垂直壁面和朝上表面的表面光潔度差，如果要生產具有最佳精度的細節(jié)特征，那么最好在設計時將這些特征定位在零件的上表層。

--6.顧全大局
雖然3D打印的材料成本、設備成本比成熟的傳統(tǒng)制造工藝高，但不要因此而望而卻步。

在進行3D打印零部件設計時，更應緊緊抓住3D打印技術在實現(xiàn)復雜輕量化結構，功能集成化零件方面的優(yōu)勢，盡可能激發(fā)3D打印在零部件設計優(yōu)化中所起到的作用。延伸閱讀：3D打印實現(xiàn)輕量化的四種途徑

也就是說，面對3D打印技術時如果僅關注這項技術對于制造成本的影響，而忽略掉全面考慮該技術在重塑產品設計和功能，以及重塑供應鏈方面的潛力，會使企業(yè)錯過3D打印創(chuàng)造的更多綜合效益
來源：3D科學谷