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下面的這張照片是我在一家推廣增材制造技術(shù)的組織看到的，是哪家組織不重要，因為很多營銷技術(shù)的公司都創(chuàng)建了我說的這類圖像。這類圖像可能是由一位年輕的工程師悠然自得地從3D打印機(jī)中抽出的一個復(fù)雜成品零件。

這張照片不一定是假的。然而，它會給人一種不真實的感覺。換言之，它給人一種增材制造是簡單的，可以輕松得到需要的零件，這正是與其他制造工藝的不同之處。

實際上，這正是“3D打印”一詞不成功的地方。這個詞暗示直接數(shù)字化制造是無縫的、一步到位，就像文件打印機(jī)一樣。坦白地講，真不是這樣。

圖1 增材制造中重要的工藝考慮因素包括：在增材生產(chǎn)期間零件的支撐及零件方向。這些選擇是相互關(guān)聯(lián)的，從CIMP-3D機(jī)構(gòu)增材生產(chǎn)的帶有垂直翅片的“籠狀”零件就可以看出

然而，我這樣說，并不是在給增材制造前景抹黑。因為它提供的設(shè)計自由，加上其處理少量訂單時的效率、其提供的合并組裝機(jī)遇、節(jié)約材料和降低重量等好處，增材制造看似必定成為零件生產(chǎn)的一個健全的、得到認(rèn)可的方案。但是，與其他制造方案一樣，增材制造有自己的零件和工藝需求。它有自己的工程考慮因素，甚至提供了大量失敗空間，尤其是將增材制造用于金屬零件的加工，其未來的學(xué)習(xí)道路還很長。

一家?guī)椭�完成該學(xué)習(xí)道路的組織為位于賓夕法尼亞州立大學(xué)的直接處理沉積實現(xiàn)創(chuàng)新材料加工中心，又稱為CIMP-3D。這所大學(xué)的學(xué)院與對增材制造感興趣的公司合作，探索直接金屬激光燒結(jié)(DMLS)、電子束增材制造和激光金屬沉積等工藝。CIMP-3D的價值在于可以引導(dǎo)公司研究變量，得到適用于組織自身特殊、專有持續(xù)生產(chǎn)的增材制造工藝，幫助公司更快地度過增材制造的試驗。

圖2 這是飛機(jī)上一個現(xiàn)有金屬托架的塑料模型。優(yōu)化設(shè)計在近景中，可以采用增材工藝生產(chǎn)，能夠滿足托架的設(shè)計要求，而零件重量將減少88%。想要得到這種優(yōu)化零件形狀，需要使用很多設(shè)計師都不熟悉的軟件工具

這些變量是什么?我最近有機(jī)會同該中心的機(jī)械與工業(yè)工程教授和副主管Timothy W. Simpson博士以及CIMP-3D研發(fā)工程師Corey Dickman探討了這個問題。增材工藝中的一些變量為特殊增材制造及其可調(diào)整參數(shù)，例如，使用DMLS機(jī)床可以根據(jù)不同工作和不同合金的需求，改變激光功率和光束直徑。然而，其他考慮因素可能是增材制造性質(zhì)通用的。跟CNN加工輸入?yún)��?shù)的影響一樣(如切削機(jī)選擇、進(jìn)料速度及夾具的剛性)，增材制造也有影響其是否成功的輸入?yún)��?shù)，而且這些輸入?yún)��?shù)需要增材制造用戶學(xué)習(xí)很長一段時間，說明這些輸入有助于應(yīng)用增材制造生成一個更現(xiàn)實的圖片。因此，增材制造的用戶需要學(xué)習(xí)這些因素：

●拓?fù)鋵W(xué)

有人說增材制造不太適用于復(fù)雜的零件。實際上，它適用在數(shù)字層面上，開發(fā)一種零件意味著易于創(chuàng)建一種重量更輕的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。然而，更豐滿的現(xiàn)實是，實際上增材制造喜歡這種復(fù)雜性。定制完全與零件需要承受的載荷和需要執(zhí)行的服務(wù)匹配的零件形狀，產(chǎn)生一種使用材料更少、需要支持更少的增材結(jié)構(gòu)，而且在零件制造過程中產(chǎn)生殘余應(yīng)力的可能性更小。

圖2給出了一個實例。在通用電氣贊助的競賽中，賓夕法尼亞州立大學(xué)的研究生Jessica Menold 提交的競賽作品是重新設(shè)計的飛機(jī)頭架。如果使用金屬生產(chǎn)她的設(shè)計，重量將比之前使用的輕88%，同時還能滿足該零件的設(shè)計要求。

然而，工程師如何尋求這類設(shè)計優(yōu)化呢?也就是知道什么材料可以產(chǎn)生減法效果，以及什么結(jié)構(gòu)最終符合該零件的負(fù)載路線?大部分設(shè)計工程師無需面對這些問題，因為他們工作中受到的制造行業(yè)的約束太多，以至于他們并不覺得受到了約束。換言之，設(shè)計師往往需要從一個結(jié)實的模塊或半網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)開始，然后加工材料，得到外部特征。詳盡的形狀不在他們的考慮范圍內(nèi)，因為加工無法生產(chǎn)出來。摒除這個限制，產(chǎn)生的自由空間太大，又讓設(shè)計師感到無助，不知道選擇什么形狀。這正是增材制造需要不同的設(shè)計方法的原因。

圖3 支架是影響給定零件的循環(huán)時間和材料使用的一個重要考慮因素，此增材制造零部件的支撐結(jié)構(gòu)占其生產(chǎn)時間的一半

●支持

使用虛假增材制造圖片的一個問題在于，從表面上看，“打印”零件是一種駕輕就熟的事情，這張圖片忽略了在建設(shè)期間需要的物理支持的數(shù)量。在金屬增材制造中，因為增加了新的添加劑層，支撐機(jī)構(gòu)幫助轉(zhuǎn)走零件的熱量，還有助于在成型期間保持零件形狀。增材零件生產(chǎn)設(shè)計中的典型步驟是設(shè)計其支撐結(jié)構(gòu)。

圖3給出了這些制成結(jié)構(gòu)能夠有多廣泛的實例。在學(xué)生設(shè)計賽車競賽中，賓夕法尼亞州立大學(xué)本科生Vincent Maranan提交的作品是一個零部件，即使用增材制造生產(chǎn)車輪支柱(連接輪縠和制動鉗到懸臂上)。在這個零件上，需要支架保持弓狀特征、三角形頂點及大中心孔，而且這些特點占此零件構(gòu)建時間的50%。

在構(gòu)建完成后，如何拆除該支架?金屬零件的增材制造尚無自動執(zhí)行此步的方式。因此可能有點奇怪，最先進(jìn)的金屬加工技術(shù)往往得到最粗糙的結(jié)果。通過增材制造技術(shù)生產(chǎn)的最終使用生產(chǎn)零件上的支架往往需要使用人工工具拆除，包括錘子和鑿子。

●方向

上一個實例中的零件是否必須像鯊魚翅一樣豎立在空中?可能不是，可以將之放在側(cè)面。此布置需要的支撐材料可能更少一些，而且需要覆蓋的垂直高度更少，構(gòu)建時間會短很多。但是在此方向，一些零件特征可能無法準(zhǔn)確形成。以接近45°角的形式制造該零件，可能是一個有效的折中方式。在增材制造中，找到合適的零件方向是找到最有效工藝的重要方面之一。

圖4 零件方向影響的兩個圖示，它們是三家不同的增材制造供應(yīng)商生產(chǎn)的，得到的零部件完全不同，因為每家供應(yīng)商為零件選擇了不同的方向。右邊生產(chǎn)出專有特征，然而成功幾率不同，具體要看其相對機(jī)床移動刀片的方向

這是CAD模型自身不再能夠傳遞足夠多的定義零件信息的原因。CIMP-3D在近期的一次實驗中，發(fā)送相同的CAD模型給三家不同的增材制造服務(wù)供應(yīng)商，實地觀察了此情況。賓夕法尼亞州立大學(xué)研究生Andrew Coward參與了汽輪機(jī)研究，設(shè)計了一種具有與渦輪機(jī)零部件有關(guān)特征的復(fù)雜測試零件，要求所有三家增材制造供應(yīng)商在其DMLS機(jī)床上生產(chǎn)測試零件。這三家供應(yīng)商彼此不了解，選擇的零件方向都不同，得到了三種不同的結(jié)果。實際上，Coward提交了四種零件，因為三家供應(yīng)商中的一家嘗試以兩種方式完成此工作。得到的四個零件的某些細(xì)節(jié)與CAD模型相符，然而也有一些細(xì)節(jié)不符，且每個零件符合和不符合的特征都各不相同。

這項測試有點亂。設(shè)計的零件的內(nèi)部和外部特征在很多方向上都不一樣，沒有一個DMLS結(jié)構(gòu)完全符合要求。這項測試說明了什么?是在設(shè)計增材制造零件時必須考慮的問題，即便尺寸要求不一定有幫助。設(shè)計工程師必須優(yōu)化比較重要的零件特征及可以自由發(fā)揮，略微偏離模型的特征。例如，穿過零件的每個模型孔可以被定義為圓形截面，因為設(shè)計師習(xí)慣打孔。Simpson博士指出，這是目前需要檢驗的一個基本設(shè)計假定，即孔是否真的需要是圓形的?DMLS機(jī)床上的再涂裝刀片可能影響零件的專有特征，也有可能不影響，具體要看此特征相對刀片的方向，如圖4所示。

●殘余應(yīng)力

或者，增材制造零件不同于CAD模型可能不是因為其方向的影響，而是因為在生產(chǎn)期間積累在零件凝固劑中的殘余應(yīng)力。

增材制造零件的冶金成型是復(fù)雜的。它不完全是金屬液體層被添加到零件中，然后固化。反之，給定層可能受到直接添加到其上面的另外一層的熱影響，然而，上面第二層及后續(xù)層的影響可能會小一些。之后，任何層的材料不斷加熱和冷卻、固化，最終逐步與零件剩余部分集成。加熱和冷卻影響材料微觀結(jié)構(gòu)，在零件內(nèi)部形成殘余應(yīng)力。模擬此行為，預(yù)測這些應(yīng)力的潛在變形是CIMP-3D增材制造研究中更加重要的領(lǐng)域之一。

圖5 殘余應(yīng)力足以包裝一個3/4?in鋼板，其中一個解決方案是在板的相對兩側(cè)設(shè)置一個鏡像零件，從而平衡應(yīng)力

對在典型增材制造機(jī)床外殼中生產(chǎn)的小零件來說，此影響可能并不顯著。然而，隨著結(jié)構(gòu)尺寸變大，此影響會變得顯著。本機(jī)構(gòu)從Sciaky采購的電子束增材制造機(jī)床可以生產(chǎn)長度達(dá)85?cm的零件。圖5為本機(jī)構(gòu)在該等大型零部件中發(fā)現(xiàn)的殘余應(yīng)力的極端實例。因為零件中積累的作用力，一個3/4?in(1?in=25.4?mm)的鋼板在成型后兩端彎曲3/4?in。其解決方案是在板的相對兩側(cè)設(shè)立相同零件的鏡子影像，平衡此作用力。

●粉末

金屬粉末很昂貴，因此在使用粉床機(jī)時，用戶需要一個回收和再利用生產(chǎn)后剩下的粉末的策略。然而，問題是循環(huán)結(jié)束時的粉末與開始時略微有些不同。少量顆粒更容易熔化，并聚集形成較大的顆粒，因此剩下的粉末更容易形成較大顆粒。根據(jù)應(yīng)用的材料純度要求，可以將剩下的粉末與未使用的混合到一起。但是，即便如此，為保證零件質(zhì)量，粉末最多可以循環(huán)多少次呢?任何旨在持續(xù)生產(chǎn)的增材制造工藝中，此問題的答案是工藝規(guī)范的一部分。對于CIMP-3D和其他增材制造組織來說，粉末再循環(huán)的影響和最佳規(guī)范是另一個活躍的研究領(lǐng)域。

●材料

最后一個工藝考慮因素可能是最重要的：制造零件使用的金屬。重新設(shè)計采用增材制造后，原來選擇加工零件使用的金屬可能并不合適。增材設(shè)計自由也延伸到材料選擇，因為一些很難加工的材料可以輕松用于增材制造中。

逆命題也是正確的。例如，一些鋁合金容易加工，然而卻很難使用基于激光的增材工藝加工。同時，加工起來很難的鈦合金是增材加工中最可靠且理解最深入的金屬。實際上，拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)的理想材料可能是鈦，因為其獨(dú)特的強(qiáng)度-重量性質(zhì)。而且，如果優(yōu)化后清除設(shè)計中足夠多的材料，則新鈦零件可能比之前的實心零件更輕，即便之前用的鋁也是如此。

盡管我們很少考慮這個問題，在選擇零件材質(zhì)時往往會考慮加工問題。難以加工的材料往往很難受到青睞。例如，鉻鎳鐵合金具有適用于一系列應(yīng)用的性質(zhì)，它的應(yīng)用范圍應(yīng)該比現(xiàn)在更廣。然而，就是因為加工困難，應(yīng)用受到限制。但是，在近網(wǎng)狀增材工藝中，在加工期間清除的材料少很多，鉻鎳鐵合金可能會大展身手。