62、增材制造设计的机遇与挑战

增材制造设计的机遇与挑战

1. 设计背景与基础

在增材制造（AM）领域，设计有着诸多独特的机遇和挑战。以Nera 3D打印电动自行车为例，它消除了“传递机械能”功能及相应的传动装置（如链条传动），其功能与结构的关系体现了零件集成、功能共享和功能整合，如图19.9所示。设计师采用“多边形/隐形设计语言”设计电动自行车，这种方法使零件在制造过程中无需水平朝上的表面进行打印，多数零件以12%的填充率打印，既能满足结构要求，又能减轻重量和缩短制造时间。

2. 面向功能的设计

面向功能的设计是增材制造设计的一种相关方法，即通过优化或直接设计方法，使零件或产品的功能达到最优。拓扑优化和生成式设计等优化方法将在后续讨论，这里以拉夫堡大学的柴油发动机前板设计为例说明直接设计。原设计中燃油或机油流动通道是枪钻加工的，通道为直线，且需添加塞子堵住钻孔留下的孔。重新设计时，先设计高效的流动通道，再添加少量额外材料以保证结构完整性，使零件更小、更轻且性能更好。

增材制造逐层制造的方式使零件横截面形状可任意复杂，不同工艺的特征尺寸有所不同。如VPP和PBF工艺能制造接近激光光斑尺寸的特征，MJT工艺中层内特征可为几个打印液滴大小。在Z方向（构建方向），特征复杂性讨论更复杂，原则上特征可薄至一层厚度，但实际通常为多层厚度。构建过程中的应力（如VPP中的重新涂覆产生的应力）会限制Z方向分辨率，基于激光的工艺还会出现过固化或“额外Z”效应，使区域比单层更厚。此外，一些增材制造工艺所需支撑结构的去除也可能限制几何复杂性和特征尺寸。设计零件时，必须考虑支撑结构及其去除问题，例如通过改变构建方向可避免内表面的支撑结构。总体而言，增材制造的几何复杂性远超传统制造工艺。

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