61、增材制造的设计潜力与应用

增材制造的设计潜力与应用

1. 增材制造的独特能力

增材制造（AM）具有诸多独特能力，为产品设计和制造带来了新的可能性。

1.1 定制几何形状

增材制造能够实现定制设计的几何形状。在生产过程中，每个零件的形状可以不同，且无需硬模具或夹具，这使得单件生产在经济上可行。例如在医疗应用中，由于每个人的身体形状不同，增材制造可以根据个体需求定制产品。对于高速机械臂的设计，增材制造可以将材料放置在最能发挥作用的地方，如商业Adept机器人（Cobra 600）的连杆，通过定制的晶格结构增强了刚度，初步计算表明该晶格结构可轻松实现25%的重量减轻，并且还有更大的改进空间。更广泛地说，增材制造使设计师摆脱了传统制造工艺对形状的限制。

1.2 自动化工艺规划

自动化工艺规划也是增材制造实现单件生产和复杂形状的一个因素。可以对AMF或STL文件（或CAD模型）进行简单的几何操作，将零件模型分解为增材制造机器可以执行的操作。与数控加工（CNC）相比，增材制造在工艺规划和生成机器代码时通常需要更少的手动步骤。

1.3 分层复杂性

增材制造能够实现跨多个长度尺度的分层复杂性设计，包括纳米/微观结构、介观结构和零件级宏观结构。以定向能量沉积（DED）工艺为例，在LENS工艺中，可以通过控制熔池的大小和冷却速率来定制特定位置的纳米/微观结构。通过局部修改激光功率和扫描速率，可以改变析出物（纳米级）和二次颗粒（微米级）的大小和分布。不同的激光能量密度会导致微观结构中未熔化碳化物（UMC）和再凝固碳化物（RSC）的比例不同，从而使最终的微观结构具有不同的材料和机械性能。此外，DED技术还能够生产等轴、柱状、定向凝固和单晶