考虑增材制造工艺的结构设计简介

增材制造的一大优势是可以制造复杂结构的产品，使很多我们之前所熟悉的产品变得跟原来的设计相比，零件更少，材料更少，具备相同甚至更好的力学性能，可以说增材制造给设计师们赋予了更多的设计自由度。

但，由于增材制造与传统机加方式的原理不同，为“堆积”材料的工艺。因此，在进行结构设计时需要考虑支撑结构，热历史，打印时长，成本，成型质量等各种因素。由此，增材制造设计方法（Design for Additive Manufacturing (DfAM)）应运而生。它是考虑增材制造工艺而开展结构设计的科学方法。

一、支撑

- The more support material you have the more cost due to printing time

支撑材料越多，打印时间成本越高

- The more support material you have the more material cost you will have

支撑材料越多，打印材料成本越高

- The more support material you have the more time for the finish is needed

支撑材料越多，打印完成时间越长

由此可知，支撑是影响增材制造的重要因素，合理设置支撑结构十分必要！

那么为什么要有支撑？支撑有什么用？怎样设计支撑？

图1  不同悬垂角添加支撑对比图

作用一：支撑悬臂结构，保证打印顺利进行

如图1所示当零件具有超过一定的悬垂角度的结构时，则需要支撑结构来支撑成型，保证良好的质量，否则不能成功打印。目前，大多数文献表明悬垂角小于45°时须要添加支撑结构，同时由于后续除去支撑，支撑处的表面质量会大幅下降。

设计点一：结构设计的要点之一是避免悬垂角度大于45°的结构。

PS：像铬或钛这样的材料也允许较低的角度。

图2  不同位置设置支撑

同时，需考虑如何创建支持结构，以便打印后可以轻松删除。仅仅把突出的表面挤压到建造板的底部并不总是最好的办法。

图3不同应力区不同的支撑形式

作用二：承力、传力作用，减少薄壁和“小结构”的变形

在增材制造过程中，支撑结构可以充当“支杆”的角色，承受和传递打印过程中的力，并通过降低零件的内应力来避免零件的强烈变形。

设计点二： 结构设计的要点之二是根据应力分布情况，在高应力区可以设置较多或较密的支撑结构，在低应力区可以适当减少支撑结构。

图4支撑结构传热示意图

作用三：传热作用，减少热积累和热变形

在增材制造过程中，支撑结构可以充当“导线”的角色，传递打印过程中的热，并通过降低零件的热应力来避免零件的热变形。

设计点三：结构设计的要点之三是如果过程模拟显示局部温度较高的区域，额外的支撑结构可以帮助降低温度;这样可以减少变形。

此外，在打印过程中， 最好有一个平坦的热梯度，以避免 可能导致裂纹的高应力区域。方法是： 可以在高应力区添加额外的支撑结构来影响这些热区域。

同时，也应该 避免在x-y平面上有大的横截面，因为这将导致较高的温度，因为较长的熔覆轨迹意味着在这个区域会产生高的应力。方法是： 通过优化结构设计或通过调整零件的打印方向来改善热积累情况。

       二、特殊结构

在零部件中，孔是十分常见的一种结构形式。上文说道，悬垂角小于45°，为保证打印顺利进行，会产生支撑结构。 此外，一般来说 垂 直方向打印孔比水平方向大打印孔的质量好 ， 水平方向 孔的设计参考规则:0.6mm <直径<  7mm， 当孔的直径大于7mm(水平方向)时，应采用支撑结构。

图5 3D打印中的孔结构示意图

因此， 可以在不影响功能的前提下对孔结构进行改进，如 “ 水滴形”孔，“菱形”孔 等 。

图6 3D打印中避免尖边结构

在打印过程中，也应当避免尖边，因为尖边结构存在应力集中区，很容易产生裂纹，翘边等，导致打印失败。

建议壁厚的厚度不应小于0.4mm（目前还未弄清楚）， 调 整到 打印中使用的 层宽 间距。

考虑到有支撑位置去除支撑后表面粗糙度差，可以通过适当地改变设计，以避免不必要的支撑材料。 特别是避免在需要良好表面质量的地方使用支撑材料。

三、摆放位置

增材制造中，零件默认的成型方向为Z轴，合理设置零件的摆放位置可以极大地提高成型效率。

图7 不同摆放位置导致效率不同