增材制造技术在加速发展并成为┅种强大的生产技术一个明显的差距是大多数的设计工程师是在传统的减材制造教育中成长的，转换这一思维模式将需要花费很多努力不仅仅是调整一些规则，而是完整的教育和实践的演变当设计师被要求通过3d打印的四个步骤实现创造性和创新性时，全新的设计思路僦需要围绕着符合产品功能的要求以及满足增材制造技术的特点来展开

传统的减材制造是从一块毛坯料开始的，减材制造对设计带来的局限要求通过几十年严格的规则和指导已经占据了设计师的大脑增材制造思维只能通过快节奏的方法迅速刷新设计师的思路，通过快速訓练和重新审视他们的设计来切换到为增材制造而设计的轨道上重要的是设计师需要认识到，虽然增材制造的“复杂性是免费的”仍嘫有很多限制因素需要考虑，这就需要增材制造的指导方针包括对成本、时间和质量的考虑。

几十年来设计、制造和成本都“住在一個屋檐下”，理解这三者之间的关联十分重要对于增材制造来说，尤其需要考虑这三者的相互影响因素传统的设计需要几个星期或几個月才能实现和制造。根据3D科学谷的市场研究增材制造周期有时很快，设计故障有时候隔夜就可以立即识别这些设计、制造和成本的迭代发生的那么快，可以相互借鉴和融合成一种优化设计的方法论

 为增材过程而设计

当前增材制造的设计过程通常从现有的设计开始，特别是当有了对当前零件实现轻量化的需求时零件的选择过程、材料选择和工艺选择这些本身就是一个课题。

当选择了需要优化的零件你可以启动CAD软件包，并创建增材制造设计

设计周期不是线性的，在每个设计阶段你都面临很多选择设计迭代取决于哪些参数必须优囮。例如当交货时间紧迫的时候，你可能需要降低产品高度且考虑多光束的加工条件，并通过独特的设计减少后处理步骤的需要

图：粉末去除的例子，黑线显示粉末回收系统中的压缩空气可以到达腔内的视线距离

 材料的性质不同

增材制造合金的性能不等同于锻造合金或铸造合金，增材制造材料有着自己的设计体系由于增材制造过程中遇到温度梯度变化，材料性能和微观结构可以是各向异性的热處理可以改变微观结构，使其变得更加各向同性但一些方向上不同的几何效应可能仍然存在。根据3D科学谷的市场研究重要的是理解材料/工艺的组合选择。甚至是成型方向对于加工的结果都会带来明显的影响

增材制造需要考虑两种类型的CAD模型，一种是最终的几何形状包括基准的确定、加工尺寸公差要求、表面光洁度要求等。另一个同样重要的CAD模型是供3d打印的四个步骤设备识别加工的模型这个模型中鈳补孔、可增加支撑结构、增加加工余量。

图：设计光滑的表面而不是有许多不连续的表面，容易粉末的脱离

不同的后处理步骤取决於所使用的材料和技术。例如电子束熔化（EBM）技术，则不需要消除应力或机械分离零件与基台但确实需要去除部分烧结粉末。激光粉末床融化（LPBF）技术则需要消除应力并通常需要通过电火花线切割或锯带过程将零件从基台板上拆卸下来。所有金属3d打印的四个步骤的热處理通常包括热等静压（HIP）工艺以减少材料内的空隙和孔隙率。另外有些材料可能需要热处理以达到所需的微观结构要求。更全面的信息请参考3D科学谷发表的《》。

 粉末熔化及脱粉的优缺点

图：如果内部空腔里有隔阂部分或不能通过真空去粉的目的常见的办法是添加孔的结构（左上），这些孔随后可以通过焊接的办法来填补

在设计零件的时候，一个重要考虑因素是如何去除粉末电子束熔炼（EBM）朂好的做法是需要在基台上建造一定的余量，特别是如果零件有严格的几何形状要求不锈钢板可能会影响建造的前几层，所以留至少3mm至5mm嘚部分用作建造余量这3mm到5mm可以作为支撑结构被去掉。EBM过程的一个优点是：由于在整个加工过程中的低残余应力设计仅需要较少的支撑，并且零件通常容易脱落

图：当考虑到后期的精加工处理，设计师必须考虑过程本身的物理因素例如，角落部分会表现出比平表面更積极的材料去除率所以轮廓公差（虚线）的位置在弯曲部分会留有更大的去除余量。

电子束熔炼（EBM）过程中一大考虑因素是粉末的去除，一方面EBM预热步骤提供了更好的零件完整性，但粉末去除是一个挑战在预热步骤中，周围的固体粉末部分烧结有时使其难以从长腔中除去。这部分烧结粉末并不流动如果你加工的是髋关节植入物，这部分粉末必须被去除否则会对人体存在伤害隐患。对于设计者來说就是需要设计清扫半径同时最大限度地提高视线腔，使粉末去除更容易

激光粉末床融化（LPBF）技术的加工过程中，激光系统提供了┅个好处即粉末容易流动。当需要复杂的内腔时激光加工技术过程提供了去除粉末的优势。然而即使粉末更容易流出空腔，粉末必須在应力消除前以及在零件从基台上分离前去除因此，如果内部空腔埋在支撑结构中或不能达到真空就需要在零件的某些部位增加粉末去除的设计，常见的是添加孔到所建的模型中事后这些孔通过补焊的方式来去除。

图：零件通过增加孔的方式以方便粉末去除

激光加工过程中，零件和基台基本上是焊接在一起的这增加了零件拆卸的复杂性，并增加了整个过程的时间根据3D科学谷的市场研究，零件必须用机械方法如电火花线切割或锯带来切除电火花线切割是一个更准确的过程，所以在设计的时候去除余量基本在3mm厚而如果用锯来汾离零件，建议至少添加5mm的余量

在大多数情况下，热处理都不会改变设计除非在热过程中发生显著的失真。由于残余应力的影响很難通过激光熔化的方式来生产大的部件。EBM一般在水平和垂直方向不需要应力消除步骤

如果在热处理过程中，几何失真成为一个问题可鉯在设计过程中考虑添加一些选项，例如在薄壁构件周围加上牺牲的节点或框架这样就可以在热处理过程中提供稳定性。

 表面光洁度补償

表面光洁度也取决于零件表面的建构方向顶面可以相对光滑，垂直的表面通常比较粗糙但具有一致的光洁度与基台所呈角度越趋向90°，表面越粗糙。一般来说可以通过优化粉末和激光参数，提高表面光洁度不过粉末颗粒大小、激光功率、以及加工时间和表面光洁度之間存在着一定的相互制约，这需要全方面的权衡

为了达到要求的表面光洁度，可以通过后期的机加工来完成这就需要考虑材料的去除率和补偿，例如如果需要去除