粉末床熔融金属3D打印技术为构建具有自由形状和复杂特征的零件提供了极大的自由度，可直接根据CAD数据制造成品，无需使用成本高昂的加工工具。若以传统方式来制造这些设计复杂的零件，则显得非常不切实际，甚至根本不可能完成。增材制造技术制造的零件往往更轻、更高效且能够更好地发挥工作性能。

然而，这并不是说这种灵活性能够让我们随心所欲地设计任何想要的形状，至少在成本的约束下，我们也不可能做到这一点。

在这方面，金属3D打印专家英国雷尼绍总结了一系列的增材制造设计指南，在此，3D科学谷将分为两期与谷友分享，本文为上半部分。

与任何制造工艺一样，增材制造技术也有自己的优势和局限性。例如，对于采用激光粉末床熔融技术制作的零件，如果设计有悬伸部分 — 也就是具有要在未熔粉末的顶部进行熔融加工的位置 — 则可能需要设计一次性支撑才能顺利完成加工。这些支撑会增加加工时间、消耗更多材料，而且还需要额外的后处理来进行移除。

功能经过优化的零件

图片中零件功能虽经优化但并不是为用于增材制造 (AM) 而设计的零件可能需要大量支撑，导致它们的制造效率偏低。

来源雷尼绍

因此，如果我们打算采用增材制造技术生产性能优异的零件，同时又要兼顾经济和实用性，那么增材制造设计 (DfAM) 就变得尤为重要。

下面我们开始介绍能够提高增材制造加工的成功率及生产效率的诸多关键因素，并解释了设计师在开发高效的生产零件时应遵循的一些重要指导原则。

因素1：残留应力

残留应力是快速加热和冷却的必然产物，这是激光粉末床熔化工艺的固有特性。每一个新的加工层都是通过如下方式构建的：在粉末床上移动聚焦激光，熔化粉末顶层并将其与下方的一个加工层熔合。热熔池中的热量会传递至下方的固体金属，这样熔融的金属就会冷却并凝固。这一过程非常迅速，大约只有几微秒。

新的金属层在下层金属的上表面凝固和冷却时会出现收缩现象，但由于受到下方固体结构的限制，其收缩会导致层与层之间形成剪切力。

图 ： 激光在固体基体的顶部熔融金属形成新的焊道（左）。激光沿着扫描矢量移动并熔融粉末，随后通过将热量传递至下方的固体金属，熔融后的粉末开始冷却。凝固后，冷却金属收缩，该金属层与下一层之间就会形成剪切力（右）。来源雷尼绍

残留应力具有破坏性。当我们在一个加工层顶部增加另一个加工层时，应力随之形成并累积，这可能导致零件变形，其边缘卷起，之后可能会脱离支撑：

来源雷尼绍

在比较极端的情况下，应力可能会超出零件的强度，造成组件破坏性开裂或加工托盘变形：

来源雷尼绍

这些效应在具有较大横截面的零件中最为明显，因为此类零件往往具有较长的焊道，而且剪切力作用的距离更长。

-- 尽可能减小残留应力

解决这一问题的手段之一是改变我们的扫描策略，选择一个最适合零件几何形状的方法。当我们用激光轨迹填充零件中心时，通常会来回移动激光，这一过程称之为“扫描”。我们所选择的模式会影响扫描矢量的长度，因此也会影响可能在零件上积累的应力水平。采用缩短扫描矢量的策略，则会相应减少产生的残留应力：

迂回扫描模式

- 完成每层扫描后旋转67°

- 加工效率较高

- 残留应力逐渐增加

- 适合小、薄特征

条纹扫描模式

- 残留应力均匀分布

- 适合大型零件

- 加工效率高于棋盘扫描模式

棋盘扫描模式

- 每层分为若干个5×5 mm的岛状区域

完成每层扫描后将整体模式和每个岛状区域旋转67°

残留应力均匀分布

适合大型零件

图 ：扫描策略与适合它们的不同零件类型。两种最常见的扫描策略分别是用于薄壁零件的“迂回”扫描（也称为光栅扫描），及用于具有较厚截面的零件的“条纹”扫描。“棋盘”或“岛状”扫描策略也同样有效。条纹和棋盘扫描可缩短各扫描线的长度，减少残留应力的累积。来源雷尼绍

我们也可以在从一个加工层移至下一个加工层时旋转扫描矢量的方向，这样一来，应力就不会全部在同一平面上集中。每层之间通常旋转67度，以确保在加工完许多层后扫描方向才会完全重复。

加热加工托盘也是用于减少残留应力的一种方法，而序后热处理也可减少累积的应力。

—“ 残留应力设计建议”—

- 尽可能通过设计消除残留应力

- 避免大面积不间断熔化