第二节 为增材制造而设计的规则

GE研发的飞机发动机3D打印燃油喷嘴，将粉末床金属熔融增材制造技术推到了3D打印家族的聚光灯下。然而，在现实操作中，这项技术颇具挑战性，甚至可以说给研发团队带来了很多受挫折的体验。挫折来自于哪里呢?

增材制造技术为构建具有自由形状和复杂特征的零件提供了极大的自由度，可直接根据CAD数据制造成品，无须使用成本高昂的加工工具。然而，这并不是说这种灵活性能够让设计师随心所欲地设计任何想要的形状，至少在成本的约束下，这样做也是不现实的。与任何制造工艺一样，增材制造技术也有其本身的工艺特性，如果在设计3D打印产品时没有遵循其工艺特性，就难免在增材制造过程中遭受挫折。

而在设计时遵循增材制造的工艺特性，正是将“为增材制造而设计”的思维融入设计的过程，这有助于最大程度地提高加工成功率，并增强增材制造工艺的经济效益。毋庸置疑，设计师要想更具竞争力，不仅必须头脑更加灵活，还应对增材制造工艺有深入的了解。

接下来我们将通过英国增材制造企业雷尼绍（Renishaw）公司针对基于粉末床金属熔融工艺的选区激光熔融3D打印技术所总结的几点设计规则，来说明增材制造设计思维对于提高3D打印的成功率及生产率，开发高效3D打印零件时所起的作用。

这些规则可供有志从事粉末床金属增材制造领域工作的个人学习者，也可供希望引入选区激光熔融技术的制造企业所借鉴。

1.残余应力

残余应力是快速加热和冷却的必然产物，这是选区激光熔融技术的固有特性。每一个新的加工层都是通过如下方式构建的：在粉末床上移动激光束，熔融粉末顶层并将其与下方的一个加工层熔合。当激光束离开后，热熔池中的热量会传递至下方的固体金属，这样熔融的金属就会冷却并凝固。这一过程非常迅速，大约只有几微秒。新的金属层在下层金属的上表面凝固和冷却时会出现收缩现象，但由于受到下方固体结构的限制，其收缩会导致层与层之间产生切应力。

残余应力具有破坏性。当设备在一个加工层顶部增加另一个加工层时，应力随之产生并累积，这可能导致零件变形，其边缘卷起，之后可能会脱离支撑。在比较极端的情况下，应力可能会造成组件破坏性开裂或加工托盘变形。这些效应在具有较大横截面的零件中最为明显，因为此类零件往往具有较长的焊道，而且切应力作用的距离更长。

解决这一问题的方法之一是改变扫描策略，选择一个最适合零件几何形状的方法。当使用激光熔融材料时，通常可以来回移动激光，这一过程称为扫描。所选择的模式会影响扫描矢量的长度，因此也会影响可能在零件上积累的应力水平。采用缩短扫描矢量的策略，则会相应减少产生的残余应力。

迂回扫描模式（也称为光栅扫描）：完成每层扫描后旋转67°，加工效率较高，残余应力逐渐增加，适合小型、薄壁零件。

条纹扫描模式：残余应力均匀分布，适合大型、具有较厚截面的零件，加工效率高于棋盘扫描模式。

棋盘扫描模式：每层分为若干个5mm×5mm的岛状区域，完成每层扫描后将整体模式和每个岛状区域旋转67°，残余应力均匀分布，适合大型零件。棋盘扫描可缩短各扫描线的长度，减少残余应力的累积。

也可以在从一个加工层移至下一个加工层时旋转扫描矢量的方向，这样一来，应力就不会全部在同一平面上集中。每层之间通常旋转67°，以避免相近的加工层扫描方向重合。

加热加工托盘也是用于减小残余应力的一种方法，而序后热处理也可减少累积的应力。

-对于残余应力，尽可能通过设计消除；避免大面积不间断熔融；注意横截面的变化；混合加工将较厚的底板整合到增材制造零件中；在应力可能较高的位置使用较厚的加工托盘；选择一种合适的扫描策略。

在任何叠层制造工艺中，加工方向始终限定在Z轴——垂直于加工托盘方向。请注意，加工方向并非始终都是通用方向。应当选择合适的方向，以便使用最少的支撑材料或不使用支撑材料来生产最稳定的工件。

2.悬伸部分和熔融过程

在粉末床加工工艺中，由于形状是一层层构建起来的，因此层与层之间的关联方式非常重要。当每一层熔融时，它需要下面的一层来提供物理支撑和散热路径。

当激光熔融粉末层时，如果粉末层下方为固体金属，则热量会从熔池传递至下方结构，这会再次熔融部分固体金属并形成牢固的连接。随着激光移开，熔池也将快速凝固，因为热量已被有效传递出去。

如果零件具有悬伸部分，那么熔池下方区域至少有一部分会是未熔粉末。这些粉末的导热性远远低于固体金属，因此来自熔池的热量会导出更慢，导致周围更多粉末烧结。结果可能是多余材料附着在悬伸区域的底面，这意味着悬伸结构可能呈现出畸形和粗糙的表面。

3.摆放方向选择

一般来说，与加工托盘形成的角度小于45°的悬伸结构需要支撑。悬伸表面称为下表层。它们通常会呈现出比垂直壁面和朝上表面更粗糙的表面。这种结果是熔池冷却速度减慢而导致悬伸结构下方的粉末局部烧结所致。

摆放方向的选择将大大影响支撑材料用量以及所需的后处理工作量。通常能够在多个方向上完成一个零件的加工，但应选择可实现最理想的零件自身支撑的摆放方向，以便尽可能降低加工成本并减少后期处理工作。

4.局部最低点

局部最低点是零件上未与下方粉末熔融层连接的任何区域。这些区域在加工过程中需要添加支撑来固定。如果在下方没有支撑结构的情况下开始加工，当刮刀处理下一层时可能会造成第一个加工层发生位移，导致加工失败。

图1-1所示为零件的局部最低点，其局部最低点可能会非常明显，但也可能出现在与零件边缘相交的横孔或斜孔的顶部，比如说图1-1中三个孔的顶部即为局部最低点。

5.特征摆放方向

如前所述，下表层的表面质量一般较差。如果要生产的工件具有精度要求较高的细节特征，那么最好将这些特征定位在零件的顶面，也就是上表层。

另一个要考虑的问题是零件相对于加粉刮刀的摆放方向。图1-2所示为加粉刮刀和零件斜边的相互作用，从图中可以看到刮刀在移动过程中对零件的影响。当添加一层新的粉末时，刮刀会在粉末床上铺开粉末，粉末逐渐被刮刀挤压以形成新的密集层。当材料被挤压时会在粉末床上形成压力波，该压力波会与朝向刮刀方向倾斜的零件表面相互作用，向下挤压粉末并向上挤压零件的前边缘。这可能会使零件钩到刮刀上，导致加工失败。请注意，柔性刮刀可以降低这种影响。

因此，支撑和斜边的摆放应尽可能远离刮刀方向。通过旋转零件，压力波能够以倾斜的角度冲击零件，从而降低零件变形的可能性。如果无法通过旋转调整位置，或零件是旋转对称的，则可能需要添加支撑，而受影响的加工面可能需要进行后期处理。

-考虑工件的摆放方向时应注意：设计师应尽量创建自身支撑设计；加工成功是首要考量；残余应力和表面粗糙度也是受摆放方向影响的重要因素；摆放方向可影响加工时间和成本；具有复杂几何形状的零件可能不太容易摆放，通常需要在表面质量、细节、加工时间、成本和支撑结构之间权衡取舍；设计师必须评估冲突因素以确定摆放方向。

6.支撑

简单依赖支撑来克服摆放方向问题不是好的办法。虽然3D打印的用户可能会容忍在制造原型零件时付出额外的加工时间和后期处理成本，但是此类浪费在批量生产增材制造零件时则是难以接受的。过度依赖支撑表明这个零件的几何形状“不够稳固”，这对成品率会有影响。

尽管可以通过设计来尽可能减少支撑，但有时也不可能将其完全消除。因为支撑有三大主要功能：

隔离材料——支撑可用于固定未与前一层相连的材料（即与加工托盘形成的角度小于45°的悬伸结构，或局部最低点特征）。最好将支撑结构集成到组件设计中。

残余应力——原则上应通过设计来减小加工过程中的残余应力，避免尖锐边缘，并避免大面积加工区域直接附着在加工托盘上。如果这点无法实现，那么可以应用支撑来消除零件中的应力，防止材料从加工托盘上脱落。这一方法不推荐用于批量生产加工件。

散热通道——未熔粉末是一种绝热体。支撑会从下表层区域传走一些热量，这有助于避免粉末燃烧、过度熔融、变形和变色，对于正对刮刀方向的下表层，其效果尤为显著。

支撑结构分为主要支撑和辅助支撑。主要支撑指的是那些在CAD环境中随组件一起开发的支撑，它是一次性结构，当加工完成时将被移除。主要支撑的特点是坚固，可控性更好。可以将它们导入到加工文件处理软件中（以STL格式），或与零件的主体一起设计。还可以使用完整的修订控制功能将它们以参数的形式导出。也可以执行有限元应力分析。此外，可以通过设计和模拟主要支撑，使其以可控方式传递热量。

辅助支撑是那些在加工文件处理软件中生成的支撑。在加工文件处理软件中创建的辅助支撑也可通过参数进行管理，但缺乏可追溯性和可重复性。如果更改零件设计，它们可能需要重建。

混合使用两种支撑，充分利用CAD设计和加工文件处理软件的优势来实现最佳方案。

在以下几种典型情况下，需要为增材制造零件添加支撑结构。

0.3~1mm的水平悬伸结构可采用自身支撑，但是不建议这样做。而超过1mm的悬伸结构则必须要重新设计或为其添加支撑。可在组件中添加圆角和倒角以消除悬伸结构。零件侧面露出的横向孔可能也需要支撑。在大多数选区激光熔融设备上可加工出的孔的最小尺寸为0.4mm。

加工直径大于10mm的孔洞和管道，则要求在其中心添加支撑。

但值得注意的是，孔洞和管道内的支撑很难移除，并且可能需要后续加工。如果支撑太小，也会给移除带来难度。如果零件的几何形状比支撑更加脆弱，则在后期处理过程中零件损坏的风险较高。直径小于10mm的孔洞可在不添加支撑的情况下加工，但它们的下表层表面可能会出现一些变形，这是由于悬伸部分上方的熔池冷却速度减慢所致，水平孔的圆度误差很可能超出设计要求。

因此，更可行的设计方式是，将孔洞或管道设计成为能够自身支撑的形状，例如泪滴形或菱形孔。这两种轮廓都可用作流体通道，并可提供相似的液压性能，但是菱形孔能够更好地抵抗流体压力。

如果零件中要求必须有高精度的圆孔，那么需要在打印完成后进行后期加工。但通常，在实心结构上直接进行圆孔的钻孔加工可能是最合理的方式。

-有关支撑的建议：将10mm以上的孔改造成自身支撑的菱形孔；使用倒角以避免较高支撑；移除相对加工托盘的悬伸角度小于45°的区域；旋转下表层使其远离刮刀方向；在增材制造加工完成后再加工小型特征；直接紧贴加工托盘完成零件加工，同时留有额外的加工余量；移除水平下表层区域。

7.3D打印在优化设计中的应用

拓扑优化和创成式设计被越来越多地用于机械零件设计中，拓扑优化的主要目的是在移除多余材料的同时保持结构的强度和刚度。经过优化的零件通常呈具有复杂而轻量化的结构，而增材制造技术生产复杂形状零件的能力使之成为实现此类设计的最佳方式。

需要注意的是，经过优化的零件可能未必适合采用增材制造方式加工，尤其是就加工零件摆放方向而言，遇到这些情况需要对设计做出调整。比如说，以水平摆放方向加工某个拓扑优化零件时，在悬伸区域内需要添加很多支撑，而沿垂直方向重新摆放零件后，需要添加支撑的区域将变少，但对于零件中圆孔等细节将需要添加支撑或重新设计，并且需要注意优化的支撑杆与圆角的交角。

如果在设计阶段重新评估零件时已将摆放方向考虑在内，那么零件在进行增材制造加工时就只有一个摆放方向。接下来针对后期加工重新设计横向孔等细节。图1-3 所示为一个横向加工优化案例，零件的摆放方向为垂直方向，设计师为实现成功的打印对其中的横向孔进行了重新设计。

设计师可能需要结合各种优化技巧（如拓扑优化、空心零件、胞元结构）以实现高效的设计。零件摆放方向应该是继适用性、形状及功能之后的又一个关键的设计驱动因素。

-关于优化设计的建议：应用最小壁厚准则；确定用于加工的临界表面；考虑支撑定位和移除或重新设计以便省去支撑；设计时考虑零件摆放方向并相应修改细节；确定是否可达到要求的表面粗糙度。

总体来说，除了设计、尺寸、速度、价格等因素外，选区激光熔融3D打印技术还没有成为主流制造技术的一大限制因素就是能否制造出合格的零件对人员的经验依赖度高，而摸索这些经验的过程令人感到折磨，而且经验是难以复制的，这极大地限制了3D打印技术的广泛使用。

工业3D打印的下一步是通过科学方法来替代以经验为基础的探索。或许再过若干年，上述的设计规则已经直接融入到硬件和软件的智能化解决方案中，操作者不再需要为如何突破这些限制而上下求索。不过，在当前，要驾驭粉末床金属熔融工艺，了解设计规则还是一个必备的过程。