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国际生产学会年刊---制造工艺
摘要
在过去的几十年里，增材制造（AM）技术有了长足的发展。然而，这种增长主要是由过程驱动的。利用AM提供的可能性和管理与该技术相关的约束的工程设计的发展已经滞后。本文介绍了增材制造设计的主要机遇、限制和经济考虑。它探讨与直接和间接AM生产的设计和重新设计相关的问题。它还强调了关键的工业应用，概述了未来的挑战，并为AM在工业中的全部潜力的研究和开发确定了有希望的方向。
关键词：设计；制造；增材制造
1、引言
过去三十年中，增材制造业（AM）的发展不同凡响。在过去的27年中，AM经历了18年的两位数增长，从20世纪80年代早期的一系列有希望的非商业化技术发展到2014年价值超过40亿美元的市场。到2020年，AM市场预计将增长到210多亿美元[354355]。这一增长是通过改进AM材料和技术实现的，并受到市场因素的推动，这些因素需要使用AM，如缩短产品开发周期、增加对定制和个性化产品的需求、增加对可持续性的关注和法规、降低制造成本和提前期。以及引入新的商业模式[13354355]。
在过去的30年中，AM技术的使用也经历了一次变革。早期的AM应用集中于模型和原型[178179]。随着技术的成熟，AM在快速和软性模具（如真空和硅树脂铸造模具）的生产中发挥了重要作用[187]。如今，它还用于生产最终用途的零部件和产品。据估计，2014年AM最终用途部件市场价值17.48亿美元，比上年增长66%。未来几年，该地区将继续保持两位数的强劲增长[355]。利用AM的几何和材料自由为最终使用部件创造了一个机会的世界。然而，并不是所有的零件都可以或成本效益生产使用AM。这就需要更好地理解何时、为什么以及如何（重新）设计与这些技术相关的机会和约束。
CIRP社区先前报告了AM工艺的进展[152178179181187]，它们在快速产品开发中的作用[42]，以及它们在生物医学[36]和涡轮机械[176]行业中的应用。本文探讨了与增材制造（DFAM）设计相关的机遇、限制和经济考虑。它首先简要概述了增材制造、制造设计和对DFAM的需求。它介绍了与AM技术有关的主要设计机会、考虑因素和限制条件，包括生产时间和成本。它展示了来自许多行业的DFAM成功案例。最后，它为研究和开发确定了有希望的方向，这将使增材制造的设计达到其在工业上的全部潜力。
5.AM设计中的限制和质量考虑
虽然AM似乎有无限的潜力，但它没有无限的能力。设计人员必须考虑多种约束条件，包括与CAD相关的约束条件及其思想的数字化；将要生产的零件的数字和物理离散化；AM过程的特点和AM机器的当前能力；AM处理对材料特性和要求的影响。使用各种AM技术处理材料；计量和质量控制相关的新挑战和要求；通过寿命要求和考虑，如维护、维修和回收；以及外部因素，包括监管环境。虽然这些约束中的许多也适用于其他类型的制造技术，但AM的自底向上特性意味着它们对设计、设计过程和为支持生产而创建的中间工件具有非常不同的影响。
5.1.与CAD和数字化相关的限制
今天，AM是一种高度自动化的直接数字生产技术，它将人工制品的数字模型离散化，并且生成机器“工具”路径、数字遮罩和其他指令来生成它。这造成了第一个主要限制：设计师必须为最终产品创建全面完整的数字模型。由于在将数字模型转换为物理产品的过程中很少或没有人为干预，因此AM CAD模型必须具有比其他工艺技术传统所需的更高的质量和更完整的信息。
为AM生成数字模型具有挑战性，因为大多数商用的CAD程序都是参数化的NURBS系统。它们非常适合于与传统制造工艺（挤压、旋转、放样等）相关联的几何建模，但通常不适用于更有机的形状[138]以及与AM相关的复杂、多尺度几何建模。此外，传统的CAD系统不能生成多尺度的细胞和晶格结构、模型或表示颜色、指定要使用的材料、指示对象内的材料变化或指定公差。为了克服这些限制，AM CAD系统需要一个能够开发复杂形状和结构的界面，以及一个能够存储其属性的数据结构。两种克服传统CAD系统体积几何局限性的常用方法是触觉建模和逆向工程。触觉建模是一种利用力反馈手持工具与三维CAD模型进行交互的虚拟造型方法。它让用户感觉到他们在物理上接触“虚拟粘土”[364]，因此更适合创建自由形状[57]。除了开发有机形状外，另一种方法是通过三维扫描现有物理对象来启动建模过程。这特别适合于基于解剖学数据的模型的开发[18 ]，但它也可以用于手工制作的粘土、泡沫或其他材料模型中。接下来，重新定义原始扫描数据。然后可以使用各种数字工具进一步开发形状。从这一点开始，几何体通常是三角数据的形式，而不是几何基本体或NURBS曲面。不管它们是如何生成的，在转换之前，3D CAD模型通常需要额外的修改和数据准备。
对细胞和晶格材料和结构建模的选择更加有限。过去的解决方案涉及到使用几何建模核心(如ACIS[347]、算法[24,88,140]和单元库[16,70,246])建立完整的桁架结构实体模型(图37)。
研究人员正致力于通过开发新的数据格式来处理与材料相关的信息，从而克服CAD和数字化的限制。（有关审查，请参见[333]。）多材料能力也已构建为AMF格式。然而，在设计异质性时，为了满足工件的功能、需求或约束，考虑到形状和材料分布仍然存在许多挑战。问题包括在设计过程中要考虑的粒度，如何分析处理材料变化，以及结果设计是否可以使用给定的AM流程满意地制造。设计、表示、分析、优化和制造之间的耦合仍然需要解决。
图37 单胞库示例（246）
5.2.与离散化和方向性相关的约束，以及支持和适当构建方向的需要
如第2节所述，AM逐段、逐行、逐面或逐层生成物理对象。这对零件质量和一致性有几个主要影响。
5.2.1.离散化和定向对表面粗糙度和材料性能的影响
AM零件的零件、线条、表面或层之间的边界很少是无缝的。这在与离散化相关的长度尺度上增加了特征粗糙度（图38—40）。由于原材料的特征长度和工艺参数（如层高）通常在不同的长度标度下，因此表面粗糙度通常也是多标度的[35314]。新创建的材料和现有材料之间的边界可以作为裂纹和其他类型的破坏可能发生的界面。由于现代AM过程中的离散化很少是各向同性的，因此表面粗糙度和由此产生的材料特性[113268274]通常也是各向异性的。解决这些各向异性的一种常见方法是修改零件[25118328]或组件[232]方向，以将其影响降至最低。其他选项包括每层[362]后的精加工操作（图41）、化学[35254]等精加工操作（图40）或机械抛光，或构建完成后的后加工。
图38。显示不同制造角度的SLM零件表面粗糙度的基准。由ASML提供
图39。EBM八隅体桁架单元格(左)，X射线断层扫描(中)对1毫米支柱进行三维重建，支柱的等距视图显示了内接和外接直径的变化(右)。改编自[314]。注意，支柱在与分层和粉末有关的长度尺度上表现出表面粗糙度。
图40。化学气相抛光前（上）和后（下）08沉积的FDM零件表面粗糙度[50]。
图41。仅使用SLM（左）和SLM加上激光重熔（右）创建的表面横截面。
改编自[362]。
5.2.2.生产过程中对支撑结构的需求
在印刷过程中，额外制造的手工艺品会经历大量但有限的状态。每个状态都必须能够抵抗施加在其上的力，包括重力物体荷载、打印机施加的外力以及来自热应力和残余应力的内力。虽然对于减法加工（如机械加工）也是如此，但机械加工零件通常在加工开始时处于最强状态，在加工结束时处于最弱状态。相比之下，AM部件通常在完成时最强。设计人员通常通过将零件定向以在制造过程中最大化其强度、向零件添加支撑结构或在整个打印过程中将零件设计为自支撑来补偿这些机械效应。所有这些策略都可以增加生产成本和时间。例如，Leary等人[185]使用fdm（图42和43）。无支撑优化后的梁需要1.6小时才能打印，消耗了47.8立方厘米的建筑材料，但打印不成功。带柱状支架的优化梁需要5.7小时才能打印，并消耗了47.8立方厘米的建筑材料和41.9立方厘米的支撑材料。自支撑梁需要2.6小时才能打印，并消耗了54.9立方厘米的建筑材料。
支持策略始终是过程特定的。在某些过程中，原料（例如粉末或树脂）充当自然支持。一些过程需要一个特殊的构建板和/或支撑结构来将零件锚定到构建板上。在这些情况下，不能完全消除支持。在金属AM过程中，支撑物充当热传导的途径。因此，即使零件是机械自支撑的，也常常需要支撑来抵消热残余应力的影响，并减少与热相关的故障。在这些情况下，支架的设计必须充分满足机械和热要求[73160]。设计师还必须考虑是否以及如何移除支架，以及移除支架对最终零件质量的影响。例如，在自支撑过程中，支撑材料可能被困在内部空隙中，可能必须从盲孔中清除。此外，移除锚定和支撑材料以及其他后处理步骤会增加零件的风险，并且可能会伤痕或损坏零件[327]。因此，即使在生产的制造阶段结束后，工艺的选择以及锚定和支撑策略也会影响零件的质量。
图42。拓扑优化的悬臂梁成功地建立了与支持（左），并重新设计为自我支持（右）。箭头表示如果没有实现支持策略，那么在哪里会发生构建失败。
改编自[185]。
图43。构建支持策略的特写：失败的构建没有支持（左），成功的构建有支持（中），成功的构建自支持结构（右）。
改编自[185]。
5.2.3.减少流程限制以创造新机会
随着时间的推移，过程特性将得到放松，机器能力将得到扩展，创造新的机会，实现新的DFAM策略。例如，在大多数AM过程中，一旦选择了零件方向，就确定了。但是，对于某些AM族，在加工过程中改变零件方向的可能性确实存在。增加空间和时间的自由取向度会增加控制定向的可能性，从而优化定向特性，如表面粗糙度和材料特性。同样，它增加了能够指定操作的构建顺序的可能性，这将导致自支持结构，从而消除对支持的需求。
双向沉积使沉积体积的对称性得以充分利用。例如，构建板可以沿零件的对称线放置（图3和44）或者两个部分可以背靠背地构建（图45）。如果热基工艺在相反方向上沉积交替层，则两半的残余应力状态相同但相反[352]，平衡部件应力并减少或消除变形。当基板将零件分成两个相等的体积时，这很简单；否则可能需要重新设计零件。如果零件是背靠背制造的，则与购买、准备和移除人造板相关的成本和浪费会降低。
可采用多向沉积，使非增值时间最小化。例如，必须在固定温度下对底层材料进行WAAM沉积，以确保沉积条件一致。这会导致冷却期间机器长时间闲置。但是，如果一个层可以冷却，而另一个层正在另一侧沉积，则唯一的非增值活动是零件旋转。最后，可以将各层沉积到不同的位置[165]。例如，两个沉积头可以在垂直起始板的相对侧同时工作。这使沉积速率加倍，但仍会导致零失真。这对热管理没有帮助，因为两个体积同时沉积，但对于大型（多米）部件来说，这可能不是问题。在确定设计和生产战略。否则，在产品开发过程的后期，它们可能会导致昂贵的重新设计。
图44。机翼肋沿三个对称平面的单向（最右侧）和双向构建方向示例。基于[116]。图片由克兰菲尔德大学焊接工程和激光处理中心提供。
图45。Ti–6Al–4V翼梁（1.2 m长），背靠背安装在BAE系统的专用构建板上[352]：侧视图显示一个翼梁（左），俯视图显示两个翼梁（右）。、
5.2.4.讨论
这些问题是紧密耦合的。几乎不可能同时优化零件定位，以降低材料使用和生产成本，提高表面和整体构建质量，控制材料性能，并消除支持的需要。为了平衡这些考虑，研究人员使用了遗传算法[54,60205257]、群体智能[127]、多目标优化[82245]和多属性决策过程[368369371372]来确定给定零件的最佳方向。此外，离散化和方向性与AM过程的特性和所用特定机器的性能密切相关。因此，构建方向和支持策略不能独立于流程、机器和流程参数来开发。
5.3.由于工艺特性和机器能力的限制
每一个额外制造的零件都会受到其工艺系列特征和所用特殊机器的性能的影响。工艺特性包括材料沉积法、重涂法（如有）和粘合原理。这些因素决定了可加工原材料的类型（聚合物、金属等）和性质（例如粉末形状和尺寸）；产生的材料特性和特性；锚定和支撑要求、选项和策略；材料是否会陷入内部空隙和盲孔；以及后处理过程。可以或必须执行URES。对于给定类型的所有机器，这些都是常数，并且对于图2中列出的每一类AM过程，它们都是不同的。机器特定功能和要求包括输入和数据配置要求和选项；最小构建分辨率（通常以x、y和z为单位）和其他可选择的分辨率；最大构建尺寸（通常以x、y和z为单位）；可用和兼容的材料；工艺参数一个是可变的，以及改变它们的选项；以及可以改变的后处理参数和改变它们的选项。这些很少是基本的限制，通常可以通过购买或制造不同的机器来克服。
同时，工艺特性、机器特性约束、材料选择以及在某些情况下，支持策略对可制造的零件施加限制，并确定零件的质量和特性。例如，它们决定了零件的翘曲、收缩、精度和精度；零件的尺寸稳定性；X、Y和Z中零件的表面粗糙度；X、Y和Z中的最小特征尺寸；特征之间的最小间距；特征的最大展弦比；以及不支持和支持的特征形状和可以生产的尺寸。考虑到这些限制，设计师必须选择一种AM工艺，该工艺能够以所需质量生产特定材料中的特定零件，选择非AM工艺或AM与具有所需能力的传统工艺的组合，或修改设计及其生产策略，以补偿以下限制：是AM强加的。
5.3.1.AM一般材料和工艺的设计指南-特殊考虑和限制
已经出版了许多AM设计指南，概述了工艺和机器的特定约束和考虑因素。例如，Materials出版了19本各种材料的设计指南[207]。每个指南都提供了一套“设计规范”，包括最小壁厚、最小细节尺寸、预期精度、最大零件
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