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2018-06-01
眾所周知，3D打印技術(shù)能夠支持塑料、樹(shù)脂、陶瓷、金屬等種類豐富的耗材進(jìn)行打印，因此其被廣泛的應(yīng)用到航空航天、醫(yī)療、工業(yè)設(shè)計(jì)等眾多領(lǐng)域當(dāng)中。然而，在縮短研發(fā)周期，減少裝配、降低模具成本的同時(shí)，企業(yè)卻更關(guān)注3D打印技術(shù)對(duì)制造成本的影響。為此，我們?yōu)榇蠹铱偨Y(jié)了六個(gè)3D打印的設(shè)計(jì)要素，從而剖析如何能夠減少3D打印帶來(lái)的額外制造成本，以及如何在降低企業(yè)制造成本，提高綜合效益方面凸顯其優(yōu)勢(shì)。
實(shí)際上，早前美國(guó)普渡大學(xué)的研究員就曾提出過(guò)兩種可以顯著減少3D打印時(shí)間與材料的方法：一種叫做新PackMerger算法，即將一個(gè)對(duì)象分成幾段打印，再粘結(jié)在一起。例如下面圖中這只兔子，被自動(dòng)分成多個(gè)組件并打印出來(lái)，所需時(shí)間從原來(lái)的13.5個(gè)小時(shí)，縮短至9.5個(gè)小時(shí)，材料用量也從351克降至229克，用算法優(yōu)化用時(shí)1分鐘，組裝用時(shí)15分鐘。該算法的核心就是，將盡可能多的元素裝進(jìn)盡可能曉得空間里。
此外，還有一種方法，是通過(guò)其他算法生成較小的支撐結(jié)構(gòu)，這樣可以平均減少30%的打印時(shí)間和40%的3D打印材料。打印前，用該算法確定3D模型應(yīng)如何在打印機(jī)托盤(pán)上放置，使伸出的部分需要的支撐最小化，計(jì)算機(jī)會(huì)自動(dòng)將3D模型向各個(gè)方向旋轉(zhuǎn)，以發(fā)現(xiàn)需要最小支撐結(jié)構(gòu)的3D模型擺放方式。
如果你覺(jué)得上面那些內(nèi)容理解起來(lái)比較高深，甚至有些失去耐性，不要緊我們不妨先從下面這六點(diǎn)做起：
優(yōu)化設(shè)計(jì)。精心設(shè)計(jì)的3D打印零件遵循的許多原則與注塑成型相似，比如說(shuō)：在相鄰表面之間使用漸變過(guò)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(chǎn)生殘留應(yīng)力的尖角；無(wú)支撐的薄壁結(jié)構(gòu)不能過(guò)高，否則會(huì)出現(xiàn)翹曲。
拋棄傳統(tǒng)。要知道，典型的3D打印零件往往帶有仿生設(shè)計(jì)，例如蜂窩結(jié)構(gòu)或者復(fù)雜點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，不要害怕在設(shè)計(jì)時(shí)使用這種結(jié)構(gòu)，只要它們能夠創(chuàng)造出更輕、更堅(jiān)固的部件。更不必忌諱在設(shè)計(jì)中使用孔狀結(jié)構(gòu)，因?yàn)橥ㄟ^(guò)傳統(tǒng)制造方式在零件中鉆孔無(wú)形中增加了材料的浪費(fèi)，從而導(dǎo)致成本上升。
需要注意的是，增材制造時(shí)，尤其是激光熔融金屬3D技術(shù)制造圓孔時(shí)，要綜合考慮是否添加孔洞的支撐結(jié)構(gòu)以及下表面可能會(huì)出現(xiàn)的變形情況。某些情況下，可以考慮用淚滴形或六角形等孔形結(jié)構(gòu)來(lái)代替圓孔是更好的設(shè)計(jì)方式。
綜合考慮零件大批量生產(chǎn)時(shí)的制造方式。我們說(shuō)，3D打印技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)自由造型，為零件設(shè)計(jì)帶來(lái)很大的發(fā)揮空間，例如制造具有很多孔洞結(jié)構(gòu)的零件。實(shí)際上，很多企業(yè)已經(jīng)認(rèn)識(shí)到3D打印技術(shù)能夠勝任零部件小批量生產(chǎn)，但當(dāng)需要大量生產(chǎn)時(shí)，仍需考慮轉(zhuǎn)換成機(jī)械加工、鑄造等傳統(tǒng)工藝。因此，在這種情況下，設(shè)計(jì)師需要在設(shè)計(jì)之初就綜合考慮零件將來(lái)投入量產(chǎn)時(shí)，將采用何種制造工藝，是否也能成功實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)方案。
減少打印后的二次操作。某些3D打印工藝需要為打印對(duì)象添加支撐結(jié)構(gòu)，防止其卷曲或翹曲。例如在立體光固化（SLA）3D打印中，就需要為打印對(duì)象添加支撐結(jié)構(gòu)。而打印形成的金屬支撐結(jié)構(gòu)，待打印完成之后需要通過(guò)機(jī)加工等方式去除，塑料支撐結(jié)構(gòu)則通過(guò)手持磨砂機(jī)等方式加以去除。然而不論哪種方式，都會(huì)增加成本延長(zhǎng)制造周期。因此設(shè)計(jì)之初，要考慮通過(guò)改變?cè)O(shè)計(jì)或零件擺放等方式，盡量避免為零件添加支撐結(jié)構(gòu)。
觀察公差。3D打印金屬時(shí)，為滿足金屬零部件對(duì)公差的要求，有時(shí)配合使用機(jī)械加工等二次加工工藝是必要的，但過(guò)份追求公差要求將對(duì)3D打印零件的設(shè)計(jì)和制造帶來(lái)影響，例如過(guò)度追求精度而增加打印層數(shù)，從而增加了打印時(shí)間和打印成本。所以，我們應(yīng)采用恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)策略，有時(shí)可以減少使用打印后處理工藝。
著眼大局。盡管3D打印的材料成本，設(shè)備成本均比傳統(tǒng)制造工藝高，但也不要因此望而卻步。尤其是進(jìn)行3D打印零部件設(shè)計(jì)時(shí)，更應(yīng)緊抓3D打印技術(shù)在實(shí)現(xiàn)復(fù)雜輕量化結(jié)構(gòu)，功能集成化零件方面的優(yōu)勢(shì)，盡可能多的激發(fā)出3D打印在零部件設(shè)計(jì)優(yōu)化中所起到的作用。如果僅關(guān)注3D打印技術(shù)對(duì)制造成本的影響，而忽略了全面考慮其在重塑產(chǎn)品設(shè)計(jì)和功能及重塑供應(yīng)鏈方面的潛力，會(huì)讓企業(yè)錯(cuò)失利用3D打印創(chuàng)造更多綜合效益的機(jī)會(huì)。
