尽管人们喜欢大肆宣传增材制造 (AM) 的“自由复杂性”,但我们都知道现实的成本有多高。之前介绍了如何使用 AM 设计 (DFAM),来通过利用不同 AM 技术支持的层级制造方法,带来的“自由复杂性”来增加 AM 部件的价值。


 DFAM 如何避免成本,为 AM 部件增加更多价值。在 AM 的采用和产业化方面,成本规避和价值创造的结合为 DFAM 提供了强大的一二拳。


使用增材制造设计在寻找价值的同时避免成本


在应用 DFAM 时仔细考虑这些因素中的每一个将帮助您在使用 AM 时避免不必要的成本。


可能会增加 AM 零件成本的无数因素和步骤,尤其是用激光粉末床融合 (PBF) 制成的金属零件,往往分为六大类,就像上个月讨论的价值驱动因素一样。


首先,也是最重要的是构建布局。设计人员在应用 DFAM 时需要注意——或至少意识到——构建方向,因为这会对构建时间、材料利用率、支撑结构和一系列推高成本的因素产生连锁影响。


例如,阶梯和镶嵌效果(如果使用 STL 文件)可能会在构建布局期间引起麻烦,如果不及早考虑,则会导致额外的后处理和精加工。在计划构建时,需要考虑重涂机的移动方向。


虽然设计师可能不会深入了解构建布局的这种细节水平,但有必要了解在构建过程中重涂行程可能对小型或精细特征产生的影响——形象地和字面意义。最后,设计人员可能希望在空间允许的情况下考虑在构建板上添加见证或测试试样或粉末棺材。如果出现任何问题,这可以节省大量时间、精力和成本。


虽然并非所有 AM 工艺都需要支撑结构,但在使用激光 PBF 制造金属 AM 零件时,它们可能是一个重要的成本驱动因素:它们增加了构建时间和成本,消耗了材料,并且必须在之后移除,从而产生不必要的和不必要的废料。


超过临界悬垂角的特征需要支撑,因为它们有助于管理热循环并减轻零件在制造时产生的残余应力。可以使用多种类型的支撑,定制设计的支撑可能最适合复杂的几何形状。


支撑物可以是空心的或实心的,这对构建时间、材料使用和粉末截留有影响,并且在 DFAM 期间也需要考虑去除支撑物。例如,在复杂的内部通道内有一个支撑可能无法进入和移除,限制流量或造成可能导致故障的堵塞。


分离式支撑可以设计为易于移除,在某些情况下,非接触式支撑可能足以帮助散热并减轻变形,而无需接触实际零件。设计师应该指定——或者至少与工艺工程师密切合作——仔细考虑支持设计,以避免他们增加过多的材料、构建和后处理成本。


接下来是特定增材制造机器的设计指南,更一般地说,是每个增材制造工艺的设计指南。这些有助于降低构建失败的可能性,从而推高成本,并确保 AM 部件的尺寸完整性和性能符合规范。


每台机器和材料都将具有相关的最小(或最大)特征尺寸、纵横比、桥接和悬垂长度等,这些将与指定的构建方向相关联。构建方向也会影响表面粗糙度,这在许多情况下可能会导致额外的后处理和表面精加工。同样,这会增加成本,应在 DFAM 期间加以考虑。粉末去除也可能是激光 PBF 的一个大问题,尤其是被困在空心特征、复杂的内部通道或小晶格结构中的粉末。


与设计指南类似,工艺参数和工艺设置特定于每台机器和每种材料。虽然其中许多将由工艺工程师针对每种机器和材料进行修复或优化,但设计人员需要认识到有影响的工艺参数对打印和解析正在设计的几何形状的能力的潜在影响。


例如,层厚度会影响阶梯和表面粗糙度,而激光光斑尺寸、舱口间距和扫描模式会影响解析和打印您可能在 AM 热交换器中发现的薄壁的能力。激光功率和扫描速度可能不受设计人员的直接影响,但它们肯定是需要注意的重要事项,因为它们可以提高生产力,但会导致缺陷和构建失败,从而增加成本。


使用增材制造设计在寻找价值的同时避免成本


后处理是另一个提高金属 AM 零件成本的领域,它很可能是 DFAM 节省时间和金钱的最佳场所。应力消除、零件去除、热后处理和/或 HIP(热等静压)、支撑去除、机加工和表面精加工都可以基于明智的设计决策加快进行。


例如,如果您不能完全消除支撑结构,则努力使它们成为结构的一部分,这样它们就不需要被移除,从而在此步骤中节省成本。同样,您可以将参考或特征设计到零件中以建立基准或帮助对齐/固定零件以进行加工。您还可以将零件从构建板上偏移更多一点,以使用带锯与线 EDM(电火花加工)相比,以节省从构建板上移除零件的时间(从而节省成本)。


我还看到一些零件设计成在其运行过程中进行热后处理,完全消除了这个后处理步骤。创造性地使用 DFAM 来避免后处理过程中的成本,将避免使金属 AM 的成本翻倍(或更糟)。


最后,DFAM 还可以降低测试和检查成本。添加到构建中的见证和测试试样可以提供关于微观结构和机械性能的额外保证,而几乎没有增加成本。


同时,设计“智能试卷”,通过较小规模的测试帮助验证 AM 部件的一项或多项功能或特性,有助于降低不确定性并以更低的成本降低过程风险。设计人员还应考虑如何使用接触或非接触方法(例如,超声波、数字射线照相、染料渗透等)或更昂贵的 X 射线计算机断层扫描来检查零件的尺寸和体积。


花一点时间考虑测试和检查对于节省 AM 部件资格和认证所需的成本(和时间)来说是一种低效的方式。


总而言之,DFAM 可以在 AM 工作流程的每个步骤中提高价值并避免成本,但前提是您了解整个流程链。那么,你的知识渊博吗?


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