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六招讓你減少3D打印材料用料,降成本提效益!

所周知,3D打印技術(shù)能夠支持塑料、樹(shù)脂、陶瓷、金屬等種類豐富的耗材進(jìn)行打印,因此其被廣泛的應(yīng)用到航空航天、醫(yī)療、工業(yè)設(shè)計(jì)等眾多領(lǐng)域當(dāng)中。然而,在縮短研發(fā)周期,減少裝配、降低模具成本的同時(shí),企業(yè)卻更關(guān)注3D打印技術(shù)對(duì)制造成本的影響。為此,我們?yōu)榇蠹铱偨Y(jié)了六個(gè)3D打印的設(shè)計(jì)要素,從而剖析如何能夠減少3D打印帶來(lái)的額外制造成本,以及如何在降低企業(yè)制造成本,提高綜合效益方面凸顯其優(yōu)勢(shì)。



實(shí)際上,早前美國(guó)普渡大學(xué)的研究員就曾提出過(guò)兩種可以顯著減少3D打印時(shí)間與材料的方法:一種叫做新PackMerger算法,即將一個(gè)對(duì)象分成幾段打印,再粘結(jié)在一起。例如下面圖中這只兔子,被自動(dòng)分成多個(gè)組件并打印出來(lái),所需時(shí)間從原來(lái)的13.5個(gè)小時(shí),縮短至9.5個(gè)小時(shí),材料用量也從351克降至229克,用算法優(yōu)化用時(shí)1分鐘,組裝用時(shí)15分鐘。該算法的核心就是,將盡可能多的元素裝進(jìn)盡可能曉得空間里(就像俄羅斯方塊游戲)。


此外,還有一種方法,是通過(guò)其他算法生成較小的支撐結(jié)構(gòu),這樣可以平均減少30%的打印時(shí)間和40%的3D打印材料(如下圖所示)。打印前,用該算法確定3D模型應(yīng)如何在打印機(jī)托盤上放置,使伸出的部分需要的支撐最小化,計(jì)算機(jī)會(huì)自動(dòng)將3D模型向各個(gè)方向旋轉(zhuǎn),以發(fā)現(xiàn)需要最小支撐結(jié)構(gòu)的3D模型擺放方式。



如果你覺(jué)得上面那些內(nèi)容理解起來(lái)比較高深,甚至有些失去耐性,不要緊我們不妨先從下面這六點(diǎn)做起:


1、優(yōu)化設(shè)計(jì):精心設(shè)計(jì)的3D打印零件遵循的許多原則與注塑成型相似,比如說(shuō):在相鄰表面之間使用漸變過(guò)渡;避免橫截面積和零件體積之間的差異巨大的情況;避免出現(xiàn)在成品工件上產(chǎn)生殘留應(yīng)力的尖角;無(wú)支撐的薄壁結(jié)構(gòu)不能過(guò)高,否則會(huì)出現(xiàn)翹曲。



2、拋棄傳統(tǒng):要知道,典型的3D打印零件往往帶有仿生設(shè)計(jì),例如蜂窩結(jié)構(gòu)或者復(fù)雜點(diǎn)陣結(jié)構(gòu),不要害怕在設(shè)計(jì)時(shí)使用這種結(jié)構(gòu),只要它們能夠創(chuàng)造出更輕、更堅(jiān)固的部件。更不必忌諱在設(shè)計(jì)中使用孔狀結(jié)構(gòu),因?yàn)橥ㄟ^(guò)傳統(tǒng)制造方式在零件中鉆孔無(wú)形中增加了材料的浪費(fèi),從而導(dǎo)致成本上升。

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需要注意的是,增材制造時(shí),尤其是激光熔融金屬3D技術(shù)制造圓孔時(shí),要綜合考慮是否添加孔洞的支撐結(jié)構(gòu)以及下表面可能會(huì)出現(xiàn)的變形情況。某些情況下,可以考慮用淚滴形或六角形等孔形結(jié)構(gòu)來(lái)代替圓孔是更好的設(shè)計(jì)方式。



3、綜合考慮零件大批量生產(chǎn)時(shí)的制造方式:我們說(shuō),3D打印技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)自由造型,為零件設(shè)計(jì)帶來(lái)很大的發(fā)揮空間,例如制造具有很多孔洞結(jié)構(gòu)的零件。實(shí)際上,很多企業(yè)已經(jīng)認(rèn)識(shí)到3D打印技術(shù)能夠勝任零部件小批量生產(chǎn),但當(dāng)需要大量生產(chǎn)時(shí),仍需考慮轉(zhuǎn)換成機(jī)械加工、鑄造等傳統(tǒng)工藝。因此,在這種情況下,設(shè)計(jì)師需要在設(shè)計(jì)之初就綜合考慮零件將來(lái)投入量產(chǎn)時(shí),將采用何種制造工藝,是否也能成功實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)方案。

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4、減少打印后的二次操作:某些3D打印工藝需要為打印對(duì)象添加支撐結(jié)構(gòu),防止其卷曲或翹曲。例如在立體光固化(SLA)3D打印中,就需要為打印對(duì)象添加支撐結(jié)構(gòu)。而打印形成的金屬支撐結(jié)構(gòu),待打印完成之后需要通過(guò)機(jī)加工等方式去除,塑料支撐結(jié)構(gòu)則通過(guò)手持磨砂機(jī)等方式加以去除。然而不論哪種方式,都會(huì)增加成本延長(zhǎng)制造周期。因此設(shè)計(jì)之初,要考慮通過(guò)改變?cè)O(shè)計(jì)或零件擺放等方式,盡量避免為零件添加支撐結(jié)構(gòu)。


5、觀察公差:3D打印金屬時(shí),為滿足金屬零部件對(duì)公差的要求,有時(shí)配合使用機(jī)械加工等二次加工工藝是必要的,但過(guò)份追求公差要求將對(duì)3D打印零件的設(shè)計(jì)和制造帶來(lái)影響,例如過(guò)度追求精度而增加打印層數(shù),從而增加了打印時(shí)間和打印成本。所以,我們應(yīng)采用恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)策略,有時(shí)可以減少使用打印后處理工藝。


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6、著眼大局:盡管3D打印的材料成本,設(shè)備成本均比傳統(tǒng)制造工藝高,但也不要因此望而卻步。尤其是進(jìn)行3D打印零部件設(shè)計(jì)時(shí),更應(yīng)緊抓3D打印技術(shù)在實(shí)現(xiàn)復(fù)雜輕量化結(jié)構(gòu),功能集成化零件方面的優(yōu)勢(shì),盡可能多的激發(fā)出3D打印在零部件設(shè)計(jì)優(yōu)化中所起到的作用。如果僅關(guān)注3D打印技術(shù)對(duì)制造成本的影響,而忽略了全面考慮其在重塑產(chǎn)品設(shè)計(jì)和功能及重塑供應(yīng)鏈方面的潛力,會(huì)讓企業(yè)錯(cuò)失利用3D打印創(chuàng)造更多綜合效益的機(jī)會(huì)。