隨著對3D打印的信心增強，越來越多的設計工程師正在尋找這一新工藝可以增加競爭優勢的地方。雖然與3D打印相關的成本正在降低，但金屬打印仍然是一筆很大的支出。此外，3D打印金屬仍然具有許多變量和控件，而這些變量和控件對用戶不怎么“友好”。由于投資相對較大且對知識的需求相對較高，設計工程師可能會對金屬打印敬而遠之。

3D打印金屬或塑料的一些初始優點是能夠生成其他工藝無法實現的幾何形狀。此外，內部通道、將多個部件合而為一、優化幾何形狀、改進功能、減少工具和提高靈活性是設計工程師能想到的一些優勢，但也要考慮到3D打印的其他間接優勢：

·交貨時間長：由于零件或工具的交付周期導致停機成本極高，3D打印可提供解決方案。特別是對于工裝，設計工程師可以通過直接打印零件或打印工具來消除或減少時間。

·高庫存成本：3D打印允許按需生產，減少庫存需求。

·從供應商獨家采購：如果3D打印的零件通過鑒定，公司將不再依賴供應商。

·遠程位置：當遠程位置限制部件交付時，現場3D打印可以消除交貨時間。

·進出口成本高：本地化3D打印生產也消除了高昂的進出口成本。

以金屬打印設計為重點，牢記成本是非常重要的。重要的是工程師了解金屬3D打印流程之間的區別是什么？不同的流程可能具有不同的能力、材料選項，甚至不同的材料屬性。設計可以大大增加或減少后處理時間和成本。特別是粉末床工藝，后處理比打印過程更容易浪費更多的時間和成本。下面我們就來探討一下，在使用金屬粉末床3D打印之前，我們進行設計時要記住的一些注意事項和限制。

設計注意事項

了解3D打印是一個不斷發展的行業是非常重要的。五年前的機器可能不具備與新設備相同的功能。幾年前、不同品牌的指南可以有各種設計參數。例如，如果專家說需要支撐結構來應付超過30度的懸伸。而另一位專家則表示不會，這種沖突可能是由于設備的使用年限或類型，甚至是使用的材料類型。如果設計限制或可能性發生變化，請務必詢問原因。

重要的是要理解燒結和熔化之間的區別。燒結通常使用低功率的激光，能量足以壓實而不會熔化粉末。這也可能是炒作和營銷中被忽略的概念，因此，了解公司是否提供燒結、熔化或兩者兼而有之很重要。

在進入3D打印設計時，設計的某些方面不會改變。工程基礎如設計中存在的應力不會因工藝而改變。如果零件斷裂，不要認為是3D打印工藝造成了問題。金屬3D打印的設計，與鑄造或CNC加工有很大的不同。例如，減材工藝往往具有尖角，而3D打印受益于漸進式構建，邊緣或拐角處呈圓角或倒角。漸進式構建還可能減少面朝下的表面和支撐結構。

3D設計中，應該從CAD軟件開始進行更具體的考慮。就像傳統設計一樣，先行在軟件中設計和測試零件可以節省大量的時間和金錢。金屬3D打印中，這一過程更為重要。盡可能多地進行數字規劃以防止失敗，特別是在打印金屬時，因為它比其他工藝更昂貴。打印失敗會將粉末浪費在失效部件上。此外，根據材料的不同，未固化的粉末需要更換或回收，其中涉及過濾和添加一些原始粉末以確保材料性能得以保持。設計工程師需要重視打印失敗導致的成本和時間損失，哪怕花費額外的時間來設置一個過程檢查并反復檢查CAD文件和新打印代碼也是值得的。

縮小軟件差距

任何具有Mastercam等程序經驗的人都知道，從CAD程序轉移到生成CNC機器的g代碼可能會出錯，甚至會導致機器崩潰。所以設計師最重要的工作是，找到可以識別設計，又專門用于3D打印功能的軟件，以填補設計和打印之間的空白。

曾有一本名為《metal Additive Manufacturing Software》的書提供了3D打印的注意事項。部分摘錄如下：

·導入：將3D CAD模型用作網格或實體，并執行可打印性檢查。如有需要，可以調整或修復模型以使其可打印。

·定位和修改：根據打印時間、表面質量、材料消耗等標準，將零件定位在打印托盤上，以獲得最佳效果。可以將制造過程所需的修改（如為后打印機械操作添加材料）應用于模型。

·優化結構：增加體積和表面晶格以減輕重量或增強零件的功能特性。

·支撐：設置消除變形和構建故障所需的支撐結構。

·模擬和分析：能夠模擬整個構建過程的軟件將能夠預測故障并最大限度地減少打印嘗試的次數。

此外，也可以通過某些在線檢測程序確定打印會否在打印完成之前失敗。擁有這些知識可以節省機器的操作時間，還可以避免出錯后仍然繼續打印，浪費材料卻得到一個廢件。在線監測可以使用先前的故障變量溫度、速度、激光直徑、熔體直徑的知識來確定是否實時發生缺陷以即時停止操作，避免在廢件上浪費材料與時間。

后處理和角度

有很多專家談到通過改變角度來減少設計中的后處理，但《The Definitive Guide to Direct metal Printing（直接金屬打印的權威指南）》提到的另一個考慮因素是上、下表面的區別。與朝上的表面相比，朝下的表面具有更高的粗糙度。用自支撐向下的角度減少后處理，通常會降低面向下的幾何形狀的表面質量。這同樣取決于打印機的類型、過程和材料。

例如，鈦合金的自支撐角可達40-45度。而鋼，CoCr和鋁合金的自支撐角在50-55度之間。如果設計工程師不了解這些角度如何改變向下的表面，那么做一些測試件或進行實驗以確保零件質量是很重要的。更改零件方向有助于減少支撐結構和向下的表面粗糙度，但仍有很多需要考慮的因素。

恰當的定向可以減少支撐結構，也可以減少后處理工作和降低表面粗糙度。另外，恰當的定向可以通過將熱量傳遞到構建板或機器本身來減少部件的熱應力。

方向可以減少支撐和向下的表面粗糙度，但它可能會產生零件中的孔隙、螺紋和熱應力的問題。此外，需要考慮機器是在可用構建空間內工作。

熱應力

更高的材料熔化溫度（例如鈦和不銹鋼）通常需要更多的能量，從而創造一個快速加熱局部區域的過程。由于部件是逐層構建的，缺乏熱質的高溫導致快速加熱和冷卻循環。

連接的高而細長的幾何形狀，如橋梁，連接層可能會收縮并使腿部變形。此外，建造在經歷過收縮的層頂部的層將按原始尺寸建造并形成懸垂的脊。為了糾正這個問題，可以先用大截面構建零件。

金屬燒結，也稱為直接金屬激光燒結（DMLS），可以降低因過熱引起的內應力。如果沒有其他一些工藝（包括3D打印和傳統工藝）引起的熱應力，DMLS零件可以在航空航天和汽車行業中用于可能看到高應力的應用。DMLS還可以消除退火等后熱處理。

在觀察具有高熔融溫度的熔融工藝和材料時，熱應力會導致翹曲和收縮。定向零件以減少與構建方向平行的大表面區域（X，Y平面）可以在添加下一層之前幫助散熱。支撐材料可以幫助保持幾何形狀。但是，重要的是要記住部件中的應力，因此在應力消除之前不要移除支撐。在消除熱應力之前移除支撐將導致零件翹曲。

具有多個挑戰的零件的一個很好的例子可能是大的幾何形狀，比如一個矩形，具有多個高而薄的腿狀連接。顛倒構建零件或從腿向上延伸的矩形開始將解決多方面的問題。第一，矩形的較大幾何形狀可以像散熱片一樣使用構建板來減少熱應力。

第二，以這種方式定向零件，消除了支撐結構，以承載腿之間的區域。粉末床工藝用未固化的粉末填充空白區域，但是，可以在未固化的粉末上構建區域，而下面沒有幾何形狀或支撐，使其超出公差范圍。具有橋梁或懸臂幾何形狀的打印部件仍然需要支撐。改變方向可以消除對這種支撐結構和向下區域問題的需要。

第三，倒角和圓角也有助于減少熱應力。如前所述的長而薄的結構（例如腿或直立結構）可以在層之間的構建空間中移動。添加或拉長倒角、圓角或添加支撐將有助于在Z軸上構建細長幾何形狀時保持公差。

定向零件可能看起來很簡單，但由于熱應力、支撐結構以及3D打印帶來的其他問題，設計工程師需要知道設備如何使用不同的材料和新的幾何形狀。擁有可模擬打印過程并考慮材料特性和熱應力的軟件將減輕設計工程師的“頭痛癥狀”并促進成功的打印。無論有無CAD功能，請記住，熱應力與熔化的表面積和凝固過程中的溫降成正比。為了緩解這種情況：

·減少每層熔化的面積

·確保沿Z軸最長的方向

·多量小部件要優于一個大部件

·確保基板和機器有良好的熱傳遞

熱量傳遞越好，部件翹曲越少。如果在設計中可以減少熱應力，熱應力的方向可能就不是一個問題了。這為解決其他方向問題提供了更大的靈活性。

例如，如果零件具有垂直于構建方向的孔或螺紋，則可能需要使用支撐。這將減少后處理。直徑小于8毫米的孔可能是自支撐的，但垂直于構建方向的孔無論大小都將是自支撐的。

定向可能很困難，因為對支撐、熱應力、孔和螺紋的需求可能需要以不同方式改變方向，不同的流程、材料、軟件甚至打印模型可能會消除或減少這些問題。這就是為什么在各種材料和打印機方面的專業知識能夠在制造業中提供巨大競爭優勢的部分原因。通過了解用于處理零件的材料和打印機的功能，設計人員將能夠從一組設計規范開始，這些規范可以極大地改善下游時間和成本。