DfAM-为增材制造而设计的七步曲

寂静回声

在工作中设计工程师会遇到很多挑战，存在的痛点包括如何获得最优的结构形状，如何将最优的结构形状与最优的产品性能相结合起来设计等。尤其是针对3D打印的技术特点，设计工程师需要突破自身思维的束缚。

DfAM（Design for additive manufacturing)最常见的定义是：基于增材制造技术的能力，通过形状、尺寸、层级结构和材料组成的系统综合设计最大限度提高产品性能的方法。从DfAM理念到智能化设计软件，近年来，诸如SolidWorks的3DXpert插件以及Altair solidThinking为设计师提供了便捷的为增材制造而设计的工具。
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3DXpert：用最少的支撑材料进行3D打印的拓扑优化的开瓶器
培养增材制造(DfAM)理念需要相关的深化软件，包括3Dsystems为SolidWorks打造的3DXpert插件软件包，具有支持文件编辑、切片、以及点阵结构设计和拓扑优化零件的变形模拟等功能。
3DXpert插件将设计与3D打印有效的结合起来。而对于复杂的工程来说，还需要更大的端到终端的解决方案。例如达索的3DExperience平台，这些都进一步将DfAM的理念进一步演绎到更系统化的范畴内。
在这方面，DfAM的思路可以围绕着以下几个方面展开。
1. 设计：以最少的材料满足性能要求
这是DfAM设计理念的特别之处，使用诸如拓扑优化和点阵结构之类的工具来制造更轻更高效的产品。在这方面，例如通过3DXpert整合拓扑优化与网格结构设计，使得设计师可以轻松地通过拓扑优化找到材料布局，再考虑更多的设计要求，包括应力、屈服强度等通过晶格进行更精细程度的材料分配，达到设计的最优化
2. 设计：3D打印的一体化结构实现
即用最少的部件配置满足最多的技术性能需求，及其带来的附加值。将包含许多较小零件的组件转换为单一的、集成的、高度自定义的形状。省去了组装过程，也省去了许多零件（多个螺钉、螺栓、螺母、垫圈等）的库存，不仅降低了成本还避免了潜在的组装错误，以及后期由于螺栓连接或焊接所带来的维护要求。
3. 设计：（或修改一个现有的设计）以最少的材料符合制造工艺的要求
这里面涉及到支撑材料的设计问题，在增材制造工艺中，这些支撑材料一方面带来了浪费，并且还增加了去除支撑材料的工作量，另一方面支撑材料却可以帮助打印过程顺利完成，并且可能缓解相当大的残余应力。所以在最少的材料与支撑结构的设计之间，存在着一个微妙的平衡，而这个平衡点的把握则需要与增材制造的特点相结合。

4. 设计：改进功能的设计
例如随形冷却模具，3D打印技术使冷却水路的制造避免了交叉钻孔的限制，3D打印的随形冷却水路还可以根据冷却要求进行不同的冷却回路设计，从而以一致的速度进行散热，以促进散热的均匀性。再例如热交换器的设计，例如英国的HiETA正在改进的热交换产品是由很薄的材料焊接制成的。复杂的设计使生产既麻烦又耗时，而冗余的焊料则增加了部件的整体重量。又复杂、又重、又费时费力。3D打印的热交换器提升散热效率，而且与常规生产的部件相比，其重量与所占空间均降低30%左右。
5. 设计：优化材料类型的设计
一方面3D打印可以加工在传统上是困难的、难加工材料，以获得更好的材料特性如热传导性、延展性以及强度。在这方面，拿西门子投资的Materials Solutions来说，Materials Solutions在不断的实践中发现，选择性激光熔化工艺在制造复杂零件方面的能力独具优势。特别是在疲劳载荷的应用程序，成本比传统的加工方式低。通过Materials Solutions严格控制关键过程的变量和广泛的工艺窗口，产生了可重复的生产过程，带来非常稳定的材料性能和零件的几何形状。
另一方面，3D打印还可以用于多种合金的加工。一个零件的一侧要具备耐高温特性，而另一侧要具备低密度特性；或只能在一侧具有磁性。制造这样的零部件此前只能采用焊接的方法，先分别制造出不同的部件，然后再将它们焊接起来。但焊缝天然具有缺陷，容易脆化，在高强度压力下极易导致零件崩溃。3D打印的多种合金材料则可以解决传统加工技术难以解决的问题。2015年，美国国家航空航天局（NASA）喷气推进实验室的科学家还开发出一种新的3D打印技术，可在一个部件上混合打印多种金属或合金。
6. 设计：优化构建方向以减少支撑结构的需要
由于许多三维打印部件需要支撑结构，尤其是在粉末床金属熔化的生产过程中，支撑结构的构建是必要的，有几个原因：一个是支撑结构加强和支持零件与构建平台的稳定性；其二是支撑结构带走零件构建过程中多余的热量；其三是支撑结构可以防止零件翘曲以及减少零件构建过程中的失败几率。去除支撑结构在后期处理中可能占总成本的70％，这就需要认真考虑零件的构建方向，以最大限度地减少对支撑结构的需求。
当然这个过程可以更加智能化，其中Renishaw的新型量子准备软件-QuantAM可以通过软件可视化哪些区域需要支撑结构，并能协助支持部署支撑结构。
7. 设计：高效可追溯的工作流程
从预处理（加工参数设置等）到过程监控（熔池监控等），再到后处理（热处理、精加工、支撑结构去除、表面处理等），需要以数据的方式来记录和评估增材制造生产的零部件所涉及的所有任务。这些记录下来的数据用于以后的质量分析或实时控制软件开发，并且可以用于持续的过程改进和支持相关质量标准的出台。
只有形成一个闭环的高效可追溯的工作流程，对DfAM的理解才更加深入，并且更加智能化。