六个3D打印的设计要素总结

众所周知，3D打印技术能够支持塑料、树脂、陶瓷、金属等种类丰富的耗材进行打印，因此其被广泛的应用到航空航天、医疗、工业设计等众多领域当中。然而，在缩短研发周期，减少装配、降低模具成本的同时，企业却更关注3D打印技术对制造成本的影响。为此，我们为大家总结了六个3D打印的设计要素，从而剖析如何能够减少3D打印带来的额外制造成本，以及如何在降低企业制造成本，提高综合效益方面凸显其优势。

3D打印费料？掌握这六个设计要素降成本提效益

实际上，早前美国普渡大学的研究员就曾提出过两种可以显著减少3D打印时间与材料的方法：一种叫做新PackMerger算法，即将一个对象分成几段打印，再粘结在一起。例如下面图中这只兔子，被自动分成多个组件并打印出来，所需时间从原来的13.5个小时，缩短至9.5个小时，材料用量也从351克降至229克，用算法优化用时1分钟，组装用时15分钟。该算法的核心就是，将尽可能多的元素装进尽可能晓得空间里（就像俄罗斯方块游戏）。

此外，还有一种方法，是通过其他算法生成较小的支撑结构，这样可以平均减少30%的打印时间和40%的3D打印材料。打印前，用该算法确定3D模型应如何在打印机托盘上放置，使伸出的部分需要的支撑最小化，计算机会自动将3D模型向各个方向旋转，以发现需要最小支撑结构的3D模型摆放方式。

如果你觉得上面那些内容理解起来比较高深，甚至有些失去耐性，不要紧，我们不妨先从下面这六点做起：

1. 优化设计。

精心设计的3D打印零件遵循的许多原则与注塑成型相似，比如说：在相邻表面之间使用渐变过渡；避免横截面积和零件体积之间的差异巨大的情况；避免出现在成品工件上产生残留应力的尖角；无支撑的薄壁结构不能过高，否则会出现翘曲。

2.抛弃传统。

要知道，典型的3D打印零件往往带有仿生设计，例如蜂窝结构或者复杂点阵结构，不要害怕在设计时使用这种结构，只要它们能够创造出更轻、更坚固的部件。更不必忌讳在设计中使用孔状结构，因为通过传统制造方式在零件中钻孔无形中增加了材料的浪费，从而导致成本上升。

需要注意的是，增材制造时，尤其是激光熔融金属3D技术制造圆孔时，要综合考虑是否添加孔洞的支撑结构以及下表面可能会出现的变形情况。某些情况下，可以考虑用泪滴形或六角形等孔形结构来代替圆孔是更好的设计方式。
 
      3.综合考虑零件大批量生产时的制造方式。

我们说，3D打印技术可以实现自由造型，为零件设计带来很大的发挥空间，例如制造具有很多孔洞结构的零件。实际上，很多企业已经认识到3D打印技术能够胜任零部件小批量生产，但当需要大量生产时，仍需考虑转换成机械加工、铸造等传统工艺。因此，在这种情况下，设计师需要在设计之初就综合考虑零件将来投入量产时，将采用何种制造工艺，是否也能成功实现设计方案。

4.减少打印后的二次操作。

某些3D打印工艺需要为打印对象添加支撑结构，防止其卷曲或翘曲。例如在立体光固化（SLA）3D打印中，就需要为打印对象添加支撑结构。而打印形成的金属支撑结构，待打印完成之后需要通过机加工等方式去除，塑料支撑结构则通过手持磨砂机等方式加以去除。然而不论哪种方式，都会增加成本延长制造周期。因此设计之初，要考虑通过改变设计或零件摆放等方式，尽量避免为零件添加支撑结构。

5.观察公差。

3D打印金属时，为满足金属零部件对公差的要求，有时配合使用机械加工等二次加工工艺是必要的，但过份追求公差要求将对3D打印零件的设计和制造带来影响，例如过度追求精度而增加打印层数，从而增加了打印时间和打印成本。所以，我们应采用恰当的设计策略，有时可以减少使用打印后处理工艺。

6. 着眼大局。

尽管3D打印的材料成本，设备成本均比传统制造工艺高，但也不要因此望而却步。尤其是进行3D打印零部件设计时，更应紧抓3D打印技术在实现复杂轻量化结构，功能集成化零件方面的优势，尽可能多的激发出3D打印在零部件设计优化中所起到的作用。如果仅关注3D打印技术对制造成本的影响，而忽略了全面考虑其在重塑产品设计和功能及重塑供应链方面的潜力，会让企业错失利用3D打印创造更多综合效益的机会。
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