加法思考,读懂DfAM:增材设计与智能制造的新范式 

3D打印技术 /[其他]
发布时间: 2022-05-27 12:23
DFM(Design for Manufacturing)面向制造而设计,是指产品设计需要满足产品制造的要求。工程师在设计前需要充分考虑到制造的难易、成本及效率,结合不同的制造方式去做设计优化,最终做到更便宜、更轻松地制造产品。
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目前主流的生产工艺包括注塑、CNC、冲压、压铸等,随着3D打印(增材制造)技术的兴起,工程师多了一项新的制造选择。这时就出现了DfAM(Design for Additive Manufacturing)的概念,它是一种基于增材思维的先进设计与智能制造下的全新设计范式。

3D打印(增材制造)有什么不同之处?

与其他传统制造方法相比,增材制造技术提供了更大的设计自由度。还有它独有的优势:

    内部结构,例如格子填充的实体对象
    拓扑优化,例如复杂的几何形状
    多材料设计
    零件合并
    大规模定制

从航空航天到医疗保健再到电子产品,各行各业都有通过3D打印设计制造的应用案例,这些组件效率更高、性能更好、成本更低。

例如,GE已成功生产超10万件3D打印燃油喷嘴。作为一个复杂的部件,之前它由大约20个组件焊接而成,现在通过3D打印1个整体就行。通用汽车使用3D打印制造的座椅支架不仅比以前的支架更轻、更坚固,而且可以打印成完整的一个部件而不是八个组件。

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同时,在牙科领域,3D打印被广泛用于牙科植入物和手术导板等的个性化定制,比传统方法更快、更便宜。

该如何为3D打印(增材制造)而设计?

在产品设计制造之初,工程师就需要先了解清楚3D打印不同工艺的区别和可用的材料及其特性。从粉末床融合到立体光刻或者塑料熔融等,每种工艺都不相同;材料也分为塑料、树脂、金属、陶瓷等。支撑材料、打印方向、后处理等也是需要考虑的方向。
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同时,还需要学习DfAM的思维方式,通过特定的软件工具去做设计,这里说的软件包括Materialise Magics、 3-Matic、Hyperganic 和 Netfabb等。通过这些软件进行设计优化,其中涉及的技术又包括创成式设计、后拓扑结构设计、点阵设计、参数优化技术、仿真分析技术等。

其中,有的软件还可以生成支撑结构,并根据材料,和模型的体积估算出打印成本等。

事实上,传统的工业设计软件,比如Solidworks,NX,Rhino和Creo等都有新增3D打印模块功能/组件,可直接在软件中对设计进行修改以让它适合于3D打印。

所有产品都必须使用DfAM吗?

虽然3D打印有它的优势,但它也并不是万能的,它不能替代传统的减材制造,而是一种互补的关系。这就要求工程师有自己的判断能力,什么样的产品适合用3D打印来做,什么又必须借助传统的方式才能实现加工成本最低,制造更容易,最终的效益最高。
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3D打印最大的优势是适合零件的个性化定制,无需复杂的工具、模具或大量设备设置,比如用它可以制作原型和功能原型零件,还有工装夹具,种植牙和透明矫正器,火箭和航空航天部件等。

简单理解,3D打印可以用来做定制、独特、数量有限的零件和产品。由于3D打印的速度和材料的局限性,目前并未广泛用于零件的大规模生产。所以在做DfAM设计时,需要考虑是不是应该这样做,在时间和费用上有没有明显优势,我们不能为了3D打印而去做设计。

如何学习DfAM,并应用到工作中?

DfAM是另一种帮助设计师和工程师做出设计决策以优化零件和产品的工具。要掌握这一新工具,就需要熟悉3D打印技术和材料,并学会以不同的方式思考事物的制造方式。这时就需要花时间和精力去学习,这里资源库推荐大家购买《增材制造设计(DfAM)指南》这本书,它也是第一本专为3D打印设计而写的专业书籍。

目前,国内也有一些企业和院校提供相关的培训或者教学,但是相对来说还是比较少,想要真正掌控DfAM设计思维需要大量的知识储备和软件实操,经过不断的积累,才能了解3D打印基础,知道什么是构建体积、收缩和变形、表面光洁度、支撑结构等。
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在软件中明白什么是晶格结构、三角剖分、细节分辨率,并对复杂结构进行拓扑优化,做功能集成等。同时还需要明白不同工艺的成本计算和比较,以及3D打印后处理(热处理、移除支撑等)。

平时需要多积累,做设计多思考,把产品设计、工艺设计和制造过程相结合,避免设计与工艺以及工艺与材料之间脱节,甚至相互割裂对立,掌握DfAM将是往后工程师在制造业中的一项必备技能。
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