增材制造工藝在DfAM設(shè)計(jì)過程的應(yīng)用思考
魔猴君 行業(yè)資訊 705天前
面向增材制造的設(shè)計(jì)（DfAM）是指結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工程師利用增材獨(dú)特的工藝優(yōu)勢(shì)去構(gòu)建產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程。這就要求設(shè)計(jì)工程師在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中都必須時(shí)刻考慮增材制造的工藝約束對(duì)設(shè)計(jì)的影響。
隨著增材制造的應(yīng)用的普及，增材制造給產(chǎn)品設(shè)計(jì)帶來的優(yōu)勢(shì)已經(jīng)愈發(fā)明顯，比如將零件進(jìn)行輕量化以及將多個(gè)零件合并到一起成為一個(gè)零件，并且提高力學(xué)性能。在每次對(duì)增材產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候都是一個(gè)思考過程，在這個(gè)過程中需要做出慎重方案決策，不光要針對(duì)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的設(shè)計(jì)，還有諸多輕量化與力學(xué)性能的條件考慮。
在全球各地的制造公司對(duì)增材制造的關(guān)注越來越多，在條件允許的情況下對(duì)產(chǎn)品零件進(jìn)行專門面向增材制造變得越來越重要。但是在很多常規(guī)零件中對(duì)增材制造來說意義并不大，對(duì)于許多很多需要開模的常規(guī)零件，在試驗(yàn)階段如果采用增材制造會(huì)節(jié)省很多成本，例如在汽車行業(yè)中增材制造就在前期設(shè)計(jì)階段對(duì)成本節(jié)約有著顯著的表現(xiàn)。
在增材制造領(lǐng)域中，有著不同的設(shè)計(jì)層次，分別是直接替換零件的制造工藝、改變零件微小細(xì)節(jié)以適應(yīng)增材制造工藝、專門面向增材制造的設(shè)計(jì)，這三種設(shè)計(jì)方式所帶來的結(jié)果是不同的，當(dāng)然最后一種面向AM的設(shè)計(jì)是三種中最優(yōu)的選擇，它不僅能夠?qū)崿F(xiàn)輕量化而且還可以改善零件的力學(xué)性能以及裝配難易度與所占空間的大小。
增材制造為產(chǎn)品增值
對(duì)于SLM金屬打印而言，增材制造工藝的成本非常高昂，并且其制造方式只能采用“串行”的生產(chǎn)方式，相對(duì)于傳統(tǒng)常規(guī)的制造技術(shù)增材制造的速度是非常慢的，所以我們應(yīng)該在增材制造能夠?yàn)槠鋷懋a(chǎn)品增值的情況下去使用。
在產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)階段，工程師們應(yīng)該根據(jù)整個(gè)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)以及零件配置的影響做出分析后，確認(rèn)零部件產(chǎn)品的制造工藝，如選擇增材制造可以使產(chǎn)品的利益最大化，再對(duì)零件進(jìn)行專門的增材制造工藝設(shè)計(jì)。
增材制造工藝在DfAM設(shè)計(jì)中應(yīng)用
1）成型方向
在我們進(jìn)行增材制造的零件設(shè)計(jì)時(shí)要針對(duì)零件不同材料的工藝局限，對(duì)零件外形也要根據(jù)工藝限制去進(jìn)行更改，同時(shí)也要考慮到材料的成型方向問題對(duì)零件的影響。例如三周期極小曲面的Gyroid晶胞，如下圖1-Gyroid晶胞所示。
圖1-Gyroid晶胞
在打印時(shí)打印方向?yàn)榧t色箭頭方向，如果按照左圖中的邊界方式打印出來的效果是非常光滑的，而且打印風(fēng)險(xiǎn)也是非常低的，而右圖中側(cè)面邊界打印出來的效果是比較粗糙的，而且坍塌風(fēng)險(xiǎn)也是非常大的，如下圖2- Gyroid晶胞試件中所示，圖中晶胞左側(cè)是沿著打印成型方向生長的，非常細(xì)膩光滑。而圖中右側(cè)橫向跨度面比較多，效果很顯然非常粗糙，所以我們?cè)谠O(shè)計(jì)的過程中，針對(duì)成型方向的考慮也是非常重要的。
圖2- Gyroid晶胞試件
2）清粉
針對(duì)SLM工藝而言，在零部件產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，也要考慮在零件打印結(jié)束后零件清粉的問題，要至少保證零件的最小間隙不能小于具體某個(gè)數(shù)值，不同材料進(jìn)行不同最小孔徑的選擇。當(dāng)然有時(shí)在性能與工藝產(chǎn)生矛盾時(shí)，要采取一個(gè)折中的方案。
3）成型跨度
零件的較大跨度的位置表面會(huì)非常粗糙如圖3-無支撐橋所示。
圖3-無支撐橋
在上圖3中可以看到橫向水平跨度越大，成型難度就越大，其朝下的部分表面質(zhì)量會(huì)很差，并且在結(jié)構(gòu)上非常的不健全，甚至?xí)锌赡軗p毀鋪粉裝置。
4）零部件的擺放方向
在設(shè)計(jì)時(shí)不斷地考慮零件的各種打印方向，有很多原因，以保證零件能夠打印出來，以及支撐量、強(qiáng)度、表面質(zhì)量、材料性能。通過這種方式也可以根據(jù)零件的力學(xué)邊界條件，改變打印方向從而避免零件的各向異性所帶來的各種強(qiáng)度問題，對(duì)于金屬打印影響是比較小的，而且可以通過熱處理或者其他的后處理工藝進(jìn)行解決，比如熱等靜壓。
里程碑式案例
在今年6月13日，增材制造在航空領(lǐng)域的應(yīng)用又一次迎來了里程碑式的發(fā)展，由德國漢莎航空技術(shù)公司3D打印技術(shù)中心研發(fā)的金屬增材制造支架“A-Link” 獲得歐盟航空安全局的官方適航認(rèn)證。如下圖4-A-Link3D打印支架。
圖4-A-Link3D打印支架
在此之前該零件采用的是由傳統(tǒng)的鍛造工藝制造，它的作用主要是在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣罩上固定一個(gè)環(huán)形的熱空氣通道，每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)上都具有9個(gè)A-Link零件。在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)發(fā)生震動(dòng)從而導(dǎo)致A-Link在安裝孔位置造成磨損，所以每個(gè)一段時(shí)間就要對(duì)零件進(jìn)行更換。
該零件主要受到的載荷是拉壓類型的，并且有少量的彎曲剪切載荷，這樣單一的受力邊界條件也成為了增材制造人員的開發(fā)首選。
另外還有它的安全冗余也是非常大的，由于每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)上都有9個(gè)A-Link零件，空客公司的支架是由4個(gè)零件并聯(lián)排列的，那么就是說在飛行過程中有一個(gè)零件發(fā)生失效，也不會(huì)造成致命性的問題。
這樣類型的零件通過拓?fù)鋬?yōu)化后對(duì)其進(jìn)行了輕量化設(shè)計(jì)，同時(shí)也節(jié)省了摸具費(fèi)用，以及定制模具的時(shí)間成本，對(duì)于需求量少且需要輕量化而且易于損耗的零件為增材制造工藝帶來了許多機(jī)會(huì)。
增材制造正處于一種快速的發(fā)展衍變的狀態(tài)，將來將會(huì)有更多的新的技術(shù)、新的軟件、新的材料去充實(shí)增材制造這個(gè)行業(yè)，并且也會(huì)有更多的公司學(xué)校去投入至增材行業(yè)，這將是一個(gè)值得人們期待的行業(yè)。
作者：
李瑞鵬 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工程師 對(duì)增材制造設(shè)計(jì)有豐富的項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)仿真拓?fù)浣Y(jié)果對(duì)零部件進(jìn)行輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以及使用三周期極小曲面的晶胞進(jìn)行換熱器結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，針對(duì)打印工藝對(duì)傳統(tǒng)工業(yè)設(shè)計(jì)零件面向增材工藝優(yōu)化。
