2018-06-01
眾所周知，3D打印技術能夠支持塑料、樹脂、陶瓷、金屬等種類豐富的耗材進行打印，因此其被廣泛的應用到航空航天、醫療、工業設計等眾多領域當中。然而，在縮短研發周期，減少裝配、降低模具成本的同時，企業卻更關注3D打印技術對制造成本的影響。為此，我們為大家總結了六個3D打印的設計要素，從而剖析如何能夠減少3D打印帶來的額外制造成本，以及如何在降低企業制造成本，提高綜合效益方面凸顯其優勢。
實際上，早前美國普渡大學的研究員就曾提出過兩種可以顯著減少3D打印時間與材料的方法：一種叫做新PackMerger算法，即將一個對象分成幾段打印，再粘結在一起。例如下面圖中這只兔子，被自動分成多個組件并打印出來，所需時間從原來的13.5個小時，縮短至9.5個小時，材料用量也從351克降至229克，用算法優化用時1分鐘，組裝用時15分鐘。該算法的核心就是，將盡可能多的元素裝進盡可能曉得空間里。
此外，還有一種方法，是通過其他算法生成較小的支撐結構，這樣可以平均減少30%的打印時間和40%的3D打印材料。打印前，用該算法確定3D模型應如何在打印機托盤上放置，使伸出的部分需要的支撐最小化，計算機會自動將3D模型向各個方向旋轉，以發現需要最小支撐結構的3D模型擺放方式。
如果你覺得上面那些內容理解起來比較高深，甚至有些失去耐性，不要緊我們不妨先從下面這六點做起：
優化設計。精心設計的3D打印零件遵循的許多原則與注塑成型相似，比如說：在相鄰表面之間使用漸變過渡；避免橫截面積和零件體積之間的差異巨大的情況；避免出現在成品工件上產生殘留應力的尖角；無支撐的薄壁結構不能過高，否則會出現翹曲。
拋棄傳統。要知道，典型的3D打印零件往往帶有仿生設計，例如蜂窩結構或者復雜點陣結構，不要害怕在設計時使用這種結構，只要它們能夠創造出更輕、更堅固的部件。更不必忌諱在設計中使用孔狀結構，因為通過傳統制造方式在零件中鉆孔無形中增加了材料的浪費，從而導致成本上升。
需要注意的是，增材制造時，尤其是激光熔融金屬3D技術制造圓孔時，要綜合考慮是否添加孔洞的支撐結構以及下表面可能會出現的變形情況。某些情況下，可以考慮用淚滴形或六角形等孔形結構來代替圓孔是更好的設計方式。
綜合考慮零件大批量生產時的制造方式。我們說，3D打印技術可以實現自由造型，為零件設計帶來很大的發揮空間，例如制造具有很多孔洞結構的零件。實際上，很多企業已經認識到3D打印技術能夠勝任零部件小批量生產，但當需要大量生產時，仍需考慮轉換成機械加工、鑄造等傳統工藝。因此，在這種情況下，設計師需要在設計之初就綜合考慮零件將來投入量產時，將采用何種制造工藝，是否也能成功實現設計方案。
減少打印后的二次操作。某些3D打印工藝需要為打印對象添加支撐結構，防止其卷曲或翹曲。例如在立體光固化（SLA）3D打印中，就需要為打印對象添加支撐結構。而打印形成的金屬支撐結構，待打印完成之后需要通過機加工等方式去除，塑料支撐結構則通過手持磨砂機等方式加以去除。然而不論哪種方式，都會增加成本延長制造周期。因此設計之初，要考慮通過改變設計或零件擺放等方式，盡量避免為零件添加支撐結構。
觀察公差。3D打印金屬時，為滿足金屬零部件對公差的要求，有時配合使用機械加工等二次加工工藝是必要的，但過份追求公差要求將對3D打印零件的設計和制造帶來影響，例如過度追求精度而增加打印層數，從而增加了打印時間和打印成本。所以，我們應采用恰當的設計策略，有時可以減少使用打印后處理工藝。
著眼大局。盡管3D打印的材料成本，設備成本均比傳統制造工藝高，但也不要因此望而卻步。尤其是進行3D打印零部件設計時，更應緊抓3D打印技術在實現復雜輕量化結構，功能集成化零件方面的優勢，盡可能多的激發出3D打印在零部件設計優化中所起到的作用。如果僅關注3D打印技術對制造成本的影響，而忽略了全面考慮其在重塑產品設計和功能及重塑供應鏈方面的潛力，會讓企業錯失利用3D打印創造更多綜合效益的機會。
