據(jù)了解，目前一些公司會(huì )用增材制造直接替代傳統(tǒng)制造，但是往往會(huì )出現(xiàn)部件成本過(guò)高，無(wú)法投入商用的局面。這是因為他們沒(méi)有考慮到增材制造工藝的特殊性。使用專(zhuān)門(mén)為增材制造設計的零件，制造商可以在提高技術(shù)的同時(shí)降低生產(chǎn)成本以及提高效率。本篇文章中，魔猴網(wǎng)(wǎng)研究了優(yōu)(yōu)化的增材制造零件設計對機器運行成本的影響。

在缺乏專(zhuān)門(mén)設計的零件的情況下，增材制造生產(chǎn)成本會(huì )十分高昂，而工業(yè)(yè)增材制造系統(tǒng)也價(jià)值不菲，并且部分生產(chǎn)速度十分緩慢。目前能夠生產(chǎn)金屬零件的增材制造系統(tǒng)的成本大約在在50萬(wàn)美元到100多萬(wàn)美元之間。

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如果以全年80%的運行時(shí)間計算，那么金屬3D打印系統(tǒng)每年運作的時(shí)間約為7000小時(shí)。對于高科技設備，兩年的投資回報期（ROI）是成本計算的合理平均值，這也就意味著(zhù)根據(jù)設備價(jià)值不同，每小時(shí)的運行成本為每小時(shí)37美元到每小時(shí)90美元不等。

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如果取每小時(shí)65美元為中間值，那么一個(gè)需要10小時(shí)構建的部件就會(huì )產(chǎn)生650美元的機器成本。而金屬3D打印的構建時(shí)間通常遠遠不止。當構建時(shí)間超過(guò)100小時(shí)，這個(gè)零件的單獨機器成本就會(huì )高達6500美元。

重涂時(shí)間和零件設計

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不同于大小高度，金屬3D打印零件生產(chǎn)過(guò)程中，各層的重涂時(shí)間不受零件設計的影響。重涂是指在用激光熔化前撒上一層粉末。根據(jù)機器不同，每層重涂的時(shí)間一般為4到15秒。假設一個(gè)部件的高度為100毫米，層厚度為50微米，由2,000層組成，那按每層重涂時(shí)間為8秒，則總重涂時(shí)間為16,000秒（4.5小時(shí)）。每小時(shí)平均運營(yíng)成本按照65美元計算，則該次重涂總時(shí)間成本約為290美元。

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表1列出了金屬3D打印的主要步驟以及通過(guò)零件設計實(shí)現(xiàn)總構建時(shí)間的步驟?？梢鑰吹酵ㄟ^(guò)改善幾個(gè)設計因素可以減少構建時(shí)間。影響時(shí)間和成本的主要因素是需要熔化的粉末量。大多數(shù)金屬3D打印系統(tǒng)的工作原理是以激光或電子光束逐層從外到內掃描熔化粉末，即所謂外部支撐框架到內部填充部分。該過(guò)程類(lèi)似于用鉛筆在圓圈內交叉畫(huà)線(xiàn)：首先畫(huà)出一個(gè)圓形，然后用交叉線(xiàn)條填充。這意味著(zhù)，表面積越大，創(chuàng )(chuàng)建零件的每一層所需的時(shí)間越長(cháng)。而這個(gè)問(wèn)題可以通過(guò)設計來(lái)改進(jìn)。

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用于傳統(tǒng)CNC加工的液壓歧管一般由內部鉆有許多連接孔的金屬塊組成。液壓液體可通過(guò)這些通道流到接口處，連接連接閥門(mén)和壓力傳感器。要在金屬塊內部制造連接通道，傳統(tǒng)工藝唯一的方法是從外部鉆孔。如果使用3D打印的話(huà)，則想像把歧管整體平剖，就像是正方形中留有幾個(gè)孔（如圖1所示），逐層打印完成。

圖1 左：液壓歧管右：打印層示例

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那么每層的內部填充部分需要長(cháng)掃描距離。如果歧管尺寸為100 x 100 mm，填充間距設置為0.1 mm，則每個(gè)正方形需要大約100米的掃描。換句話(huà)說(shuō)，光束必須行進(jìn)超過(guò)100米才能完成創(chuàng )(chuàng)建一層。再按光束以每秒330毫米的行進(jìn)速度計算，填充完一層的時(shí)間則需要300秒（5分鐘），產(chǎn)生5.41美元的機器成本。

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減少材料用量

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相反，如果將歧管主體與外部框架從金屬塊中剝離，則會(huì )大大減少了掃描量，加快打印時(shí)間（圖2）。設置與上文同等的間距參數(shù)，歧管厚度設置為2mm，則總掃描距離約為4.5米，減少超過(guò)95％。如果光束以每秒330毫米的速度行進(jìn)，填充完一層的時(shí)間為13.6秒，機器運行成本減少至0.24美元。

圖2 如果將打印主體從固體材料剝離出來(lái)，掃描時(shí)間減少，打印速度變快

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這部分完成后，再將未熔化的粉末填充進(jìn)內部空腔。在不需要考慮重量的情況下，可保留未熔化的粉末；如需考慮重量，則可添加開(kāi)口以便后期去除粉末。還有一種不需要考慮重量的情況，則可在部件內部填充支撐結構。

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在設計增材制造部件時(shí)，最大限度地減少大量固體材料是有幫助的。與注塑成型中的固定厚度相似，大量材料通常不具備太大的工程優(yōu)(yōu)勢并可能導致部件翹曲并引起殘余應力。此外，大量的材料會(huì )延長(cháng)構建時(shí)間。設計技巧可以減少材料應用，例如凝殼技術(shù)還有用蜂窩晶格或多孔結構來(lái)進(jìn)行填充。

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熱應力消除時(shí)間也會(huì )隨著(zhù)材料減少相應縮短。如果部件沒(méi)有使用大量材料切壁厚小于一般標準，則構建過(guò)程中的殘余應力較小，從而縮短了熱處理時(shí)間。

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構建時(shí)間與支撐結構

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從構建時(shí)間的角度來(lái)看，最好能在最低構建高度，以最少的層數(shù)和最快的時(shí)間完成一個(gè)零件制造。另外，零件的機械性能、幾何精度、表面光潔度和支撐材料也會(huì )受構建方向影響，因此設計時(shí)也需要充分考慮這些因素。

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金屬3D打印設計的一個(gè)重要目的是減少構建零件的支撐材料數(shù)量。支撐材料用于將零件固定到構建平臺，并幫助支撐和保持零件懸垂特征。最重要的是，支撐材料可以幫助部件散熱，最大限度地減少熱變形。但是制造過(guò)程中，需要特別避免部件內部的支撐材料，例如歧管通道內部，因為這很難或無(wú)法移除。

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圖3顯示了歧管制造的三種形式。左：傳統(tǒng)機器加工和鉆孔設計；中：需要大量支撐結構的凝殼設計；右：完全優(yōu)(yōu)化的設計?？梢鑰吹絻?yōu)化的設計構建時(shí)只需使用很少的支撐材料，相對的也更容易移除。 而表2則顯示三種不同設計所需的時(shí)間、成本和材料重量。

圖3 三種不同的歧管制造方式

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左：傳統(tǒng)機器加工和鉆孔設計；中：需要大量支撐結構的凝殼設計；右：完全優(yōu)(yōu)化的設計。

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歧管這個(gè)例子說(shuō)明機器成本對增材制造零件生產(chǎn)的影響，是總成本中最重要的因素，但可以通過(guò)避免使用大量材料和減少填充時(shí)間來(lái)降低。前文的數(shù)字已經(jīng)證明，高厚度的支撐外殼也會(huì )產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性的影響。

表1 金屬3D打印的主要步驟及其對部件設計的影響

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表2 三種不同設計的時(shí)間、價(jià)格與重量