（文章來源：中關(guān)村在線）

粉末床選區(qū)激光熔化（SLM）3D打印技術(shù)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，但面對這種與傳統(tǒng)技術(shù)截然不同的增材制造方式，如何既滿足用戶對零件設(shè)計優(yōu)化與機(jī)械性能的要求，又能夠合理控制增材制造成本，是開展面向增材制造的設(shè)計時所需要考慮的因素，也是一個需要在應(yīng)用實踐中探索與積累的過程。

3D科學(xué)谷將分享一個3D打印除塵通道零件的設(shè)計案例，設(shè)計團(tuán)隊通過仿真驅(qū)動設(shè)計、打印參數(shù)優(yōu)化等方式實現(xiàn)了零件優(yōu)化設(shè)計的既定目標(biāo)，并合理控制了增材制造成本。

工程服務(wù)企業(yè)埃特博朗（ Etteplan ）為客戶重新設(shè)計了一種除塵通道零件，該零件的原始零件是用傳統(tǒng)方式制造的，存在的問題是成本高，并且因體積偏大而給設(shè)備裝配帶來困難。因此，客戶希望對現(xiàn)有的除塵通道進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化。經(jīng)過評估，埃特博朗采用金屬3D打印技術(shù)對此部件進(jìn)行再制造，增材制造工藝釋放了除塵通道的設(shè)計空間，優(yōu)化后的部件比原始方案重量輕、成本低，并且氣流特性得到改善。

埃特博朗為除塵通道項目組建了團(tuán)隊，成員包括增材制造設(shè)計、增材制造生產(chǎn)和打印過程仿真方面的專家。在整個設(shè)計過程中，使用了增材制造生產(chǎn)成本估算工具和增材制造過程仿真軟件。

除塵通道零件的第一代增材制造設(shè)計去除了多余的材料，并獲得平滑的內(nèi)部空氣通道。在這一點上，設(shè)計團(tuán)隊使用了過程仿真軟件進(jìn)行除塵通道零件擺放方向優(yōu)化，從而分析出擺放方向?qū)?gòu)建時間、支撐量以及所需的后處理工作量和預(yù)測的變形/變形水平的影響。

設(shè)計團(tuán)隊確定了兩種比較優(yōu)選的擺放方式。雖然按照這些擺放方式，單獨計算一個組件的打印時間長，但能夠充分利用打印構(gòu)建板的空間，這意味著能夠在打印構(gòu)建板中擺放的組件數(shù)量達(dá)到最多，即能夠在一次打印中同時制造的組件數(shù)量最多，從而使得每個組件的打印時間少于其他擺放方案。

接下來，設(shè)計團(tuán)隊對第一代增材制造設(shè)計方案進(jìn)行了修改，從而提高在首選方向上的可打印性，并減少對支撐結(jié)構(gòu)的需求。為了確定在哪里需要使用支撐結(jié)構(gòu)，設(shè)計團(tuán)隊對選定擺放方向的組件進(jìn)行了打印過程仿真，這將確保打印過程中不會發(fā)生因變形引起的零件與刮刀的碰撞，并確保最終變形水平在合理范圍。

在此階段，設(shè)計團(tuán)隊還使用了增材制造成本估算工具，估算和比較各種設(shè)計方案與原始傳統(tǒng)制造零件的成本。估算結(jié)果表明，僅制造單個3D打印零件所需的材料和時間成本昂貴，但是如果一次打印同時制造11個零件，則3D打印成本與傳統(tǒng)制造成本基本持平。

設(shè)計團(tuán)隊對除塵通道零件做了進(jìn)一步的設(shè)計優(yōu)化，將4層零件堆疊擺放在同一個打印構(gòu)建板中，使用這種方式能夠在一次打印中制造出120個零件。打印過程仿真再次被用于估算零件所需的支撐結(jié)構(gòu)，以及對打印過程進(jìn)行了仿真模擬。優(yōu)化除塵通道設(shè)計，最大化單次打印中可打印的零件數(shù)量等設(shè)計優(yōu)化工作，使得單件3D打印除塵通道零件的成本比傳統(tǒng)零件制造成本低 40%。同時，由于通過增材制造技術(shù)建立了更為靈活的供應(yīng)鏈，客戶能夠?qū)崿F(xiàn)除塵通道的小批量按需生產(chǎn)。

以上部分展示了面向增材制造的零件設(shè)計迭代過程，設(shè)計團(tuán)隊最終找到了實現(xiàn)更低制造成本的設(shè)計方案。但是實現(xiàn)更低的制造成本、更靈活的供應(yīng)鏈，僅是除塵管道零件3D打印應(yīng)用的部分價值，根據(jù)3D科學(xué)谷的了解，3D打印及面向增材制造的設(shè)計還帶來了附加價值，包括：重量減輕50%以上；顯著提升的氣流特性；比原始零件更易于組裝的連接設(shè)計。

由于除塵通道不是屬于關(guān)鍵的承重結(jié)構(gòu)，因此最終產(chǎn)品并不要求達(dá)到具有完全致密材料的最佳機(jī)械性能。設(shè)計團(tuán)隊對3D打印工藝參數(shù)做了一定優(yōu)化，零件的機(jī)械性能只要足夠滿足應(yīng)用需求即可，這樣使得打印時間得以縮短。

設(shè)計團(tuán)隊與粉末床金屬3D打印設(shè)備制造商SLM Solutions 公司合作優(yōu)化了工藝參數(shù)，提高部分不可見區(qū)域的打印速度，同時在其余部分使用標(biāo)準(zhǔn)的高質(zhì)量工藝參數(shù)。此外，對支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，最大程度地減少材料的使用，并且使得打印后的粉末清除更加容易。這些優(yōu)化使得打印時間減少了25％。
（責(zé)任編輯：fqj）