【3D打印】浅谈3D打印制造技术中的DFX

　　本文介绍了DFX在3D打印制造中的应用，介绍了添加制造技术中存在的设计问题，3D打印可制造性数字化检查工具等。

　　1 概念

　　三维(3D)打印技术是一种利用三维零件的计算机辅助设计模型数据通过材料的添加直接生产形状复杂零件的制造技术的总称，也称为快速成型技术，三维(3D)打印技术等。美国材料与试验协会将其定义为，一种与传统的材料去除加工方法相反的，基于三维数字模型的，通常采用逐层制造方式将材料结合起来的工艺”。添加制造(Additive Manufacturing)已经在国际先进制造业领域中成为一个非常时髦的词。在过去的几十年中不断成长，这项技术已逐渐走向成熟，从简单的原型设计到实际的加工与制造。随之而出现了FDM(熔融挤出成型)、SLA(立体光固化成型)、3DP(粉末材料成形)、SLS(粉末材料选择性激光烧结)、DMLS(金属激光烧结技术)等技术，这些技术统称为添加制造。我们所熟知的快速成型、3D打印技术等都属于添加制造技术。

　　2 添加制造技术中存在的设计问题

　　添加制造的应用涵盖各个领域，如汽车、医疗设备、航空航天、国防等领域。在原则上，任何一个零件的制造可以通过两种方式进行实现，一种是削减制造，一种是添加制造。对于这两种方式，由于各自的设计特点带来了完全不同的挑战。目前已有很多领域的零件使用添加制造进行实现，为了确保添加制造中的零件能够加工，要建立一套适合该制造手段的制造工艺和设计原则。下面本文将具体针对几个在添加制造过程中遇到的设计问题进行讨论。

　　2.1 最小零件尺寸

　　通过添加技术来制造的零件尺寸受加工机器的最大加工尺寸影像，如果零件超出机器的最大加工尺寸，可以通过下面的方法来解决。

　　1)如果最终创建的零件只是一个设计原型，可以适当缩放零件比例以适应机器的最大加工尺寸，但是这样的话就会丢失一些细节和特征。

　　2)如果尺寸不匹配可以重新设计零件，或者分成几部分进行零件加工。

　　3)如果模型过大的话可以分成几部分进行加工然后粘在一起，当然要设计粘接部分的接口，增加粘接强度。

　　2.2 面支撑

　　添加制造时通过逐层累加的方式进行加工零件。一些设计需要添加支撑才能完成加工，如下图所示的一些拔模内侧面和侧凹特征在FDA、SLA、3DP中需要做支撑，这些特征应该尽量避免设计出来，这样的话会增加设计成本和加工时间。

　　图1 拔模内侧面和侧凹特征在FDA、SLA、3DP中需要做支撑

　　2.3 最小壁厚及刚度

　　零件的最小壁厚通常受限制于加工方法与机器分辨率等因素，太薄的部分会使零件非常脆弱，因此必须保证最小的壁厚能够提供做够的强度与刚度。除此之外，去除支撑材料后，零件要足够牢固来承受压力。这就需要设置一个最小的壁厚来支撑拔模内侧面和侧凹等特征。

　　在设计模型中通过添加肋板可以提升零件的刚度，同时较薄的部分也会有很高的强度，但是如果肋板设计不合理，较大或者较高的话会产生一些问题。因此需要设计正确尺寸的肋板，包括长度、高度、和厚度来提供足够的强度，如果设计的肋板过大的话要添加辅助肋板进行制造。一般情况下选用多个小肋板替代一个大肋板。对于添加制造为了避免薄壁结构通常都是建议增加壁厚来提高强度，增加的厚度也要综合考虑设计成本与设计要求。

　　一般的，为了方便装配会设计一些凸台来充当附着点。最常见的凸台为有孔或无孔的圆柱体凸台，用于安装螺钉或其它紧固件。为了增加强度和不干涉到其他部分，凸台一般都设计在底部。在注塑成型中凸台的拔模斜度也要方便型芯和型腔的模具零件的移走。在添加制造中凸台的外围要有筋板的支撑，凸台与基体相连的部分要有圆角，以减少所受压力。底部半径要大于要求的最小值，一般的该值取决于添加制造机的精度。总之，设计的凸台不仅要有正确的比例，外圆角半径，孔半径和孔深度，还要达到所需的强度。

　　3 3D打印可制造性数字化检查工具

　　对于添加制造技术，设计规则可能相对简单，但是验证3D模型的正确性是非常麻烦和费时的，对于传统的人工验证方法，只能找到眼前的设计缺陷，不能完全查找设计错误的地方。实施自动化检查可以在很大程度上加快检查进度，并且能按照某一标准进行检查，保证检查的有效性，以避免后期的制造问题。

　　Geometric DFMPro是解决可制造性设计的自动化检查工具，该工具通过导入三维模型，对三维模型进行可制造性分析。根据预先制定的规则，对三维模型进行分析并将违反规则的地方直接高亮显示在三维模型上，同时生成检查报告。DFX可直接检查各种格式的三维模型。如NX、Pro/E、Catia、solidworks、Inventor、STEP、IGES、Parasolid、ACIS等。添加制造技术中的DFX的检查减少了设计与制造之间的工作迭代，降低了设计成本。除了对添加制造DFMPro还应用于铣削、车削、钣金、注塑、铸造、装配等模型的检查。

　　下表为添加制造技术中的规则。

　　表1 添加制造技术中的规则

　　4 结论

　　在全球化的今天，减少产品的生命周期对于企业是十分重要的，在不同的设计阶段的更改对整个周期的影响是不同的，提前的设计优化能够大大减少产品的生命周期，因此大部分企业实行并行工程，工艺提前介入设计，进行工作的迭代，以减少已知的设计问题。在整个并行工程的工作流程中需要大量的迭代工作，DFMPro帮助企业在并行工程中增加工作效率，实现自动检查设计缺陷并减少迭代过程，努力实现第一时间的正确设计，节约企业成本。