增材制造（Additive Manufacturing，AM）俗称3D打印，融合了计算机辅助设计、材料加工与成型技术、以数字模型文件为基础，通过软件与数控系统将专用的金属材料、非金属材料以及医用生物材料，按照挤压、烧结、熔融、光固化、喷射等方式逐层堆积，制造出实体物品的制造技术。相对于传统的、对原材料去除－切削、组装的加工模式不同，是一种“自下而上”通过材料累加的制造方法，从无到有。这使得过去受到传统制造方式的约束，而无法实现的复杂结构件制造变为可能。
近二十年来，AM技术取得了快速的发展，“快速原型制造（Rapid Prototyping）”、“三维打印(3D Printing )”、“实体自由制造(Solid Free-form Fabrication) ”之类各异的叫法分别从不同侧面表达了这一技术的特点。
增材制造技术是指基于离散-堆积原理，由零件三维数据驱动直接制造零件的科学技术体系。基于不同的分类原则和理解方式，增材制造技术还有快速原型、快速成形、快速制造、3D打印等多种称谓，其内涵仍在不断深化，外延也不断扩展，这里所说的“增材制造”与“快速成形”、“快速制造”意义相同。
AM技术不需要传统的刀具和夹具以及多道加工工序，在一台设备上可快速精密地制造出任意复杂形状的零件，从而实现了零件“自由制造”，解决了许多复杂结构零件的成形，并大大减少了加工工序，缩短了加工周期。而且产品结构越复杂，其制造速度的作用就越显著。
一是材料单元的控制技术。即如何控制材料单元在堆积过程中的物理与化学变化是一个难点，例如金属直接成型中，激光熔化的微小熔池的尺寸和外界气氛控制直接影响制造精度和制件性能。
二是设备的再涂层技术。增材制造的自动化涂层是材料累加的必要工序，再涂层的工艺方法直接决定了零件在累加方向的精度和质量。分层厚度向0.01mm发展，控制更小的层厚及其稳定性是提高制件精度和降低表面粗糙度的关键。
三是高效制造技术。增材制造在向大尺寸构件制造技术发展，例如金属激光直接制造飞机上的钛合金框睴结构件，框睴结构件长度可达6m，制作时间过长，如何实现多激光束同步制造，提高制造效率，保证同步增材组织之间的一致性和制造结合区域质量是发展的难点。
此外，为提高效率，增材制造与传统切削制造结合，发展材料累加制造与材料去除制造复合制造技术方法也是发展的方向和关键技术。
金属增材制造有使用金属粉末和熔丝两种工艺，包括利用金属粉末在激光等能量源作用下快速熔化与凝固进行塑形的粉末床熔合法（PBF）；金属粉末和熔丝在能量源作用下形成熔池，逐层沉积进行制造的定向能量沉积法（DED）。还有其他金属增材制造方法，如使用电弧、激光和电子束等热源，采用不锈钢、工具钢、Ni基超合金、Co基超合金、Ti合金、Al合金和Cu合金等多种材料。另外，还有不使用热源的制造方法，如用喷墨方式涂敷黏结剂的黏结剂喷射（BJ）成型技术。
选择性激光烧结（SLS：Selective Laser Sintering）工艺，以预置于工作平台上的粉末为原料，计算机根据模型切片控制激光束的二维扫描轨迹，有选择地烧结固体粉末材料以形成零件的一个层面。在烧结之前，整个工作台通常被加热至稍低于粉末熔化温度，以减少热变形，并利于与前一层面的结合。完成一层烧结后，工作平面下降一个层厚， 铺粉系统铺设新粉层，激光束扫描烧结新的一层。如此循环，层层叠加最终制造出三维零件。由于烧结后仍然是密度较低的多孔结构，未烧结的粉末能够对已烧结结构形成支撑，因此SLS具有自支撑性能，可制造任意复杂的形体。
适用于SLS工艺的材料可以是高分子材料，陶瓷或金属粉末。其中，陶瓷与金属材料的应用更为广泛。陶瓷粉末在进行SLS工艺时要在粉末中加入粘结剂，烧结成型后再通过后续热处理去除粘结剂。金属材料可以直接采用SLS工艺烧结，但成型件致密度低、表面粗糙度大，需要后续采取热等静压处理提高致密度。针对小部分高熔点金属，或为了提高成型效率与成型致密度，会采取将目标金属与有机粘结剂或其它低熔点金属混合的方法，通过熔化有机粘结剂或低熔点合金实现快速成型，但这种工艺路线会造成后续热处理工序多（脱脂、高温焙烧或液相烧结）、零件尺寸收缩大、产品力学性能降低等问题。随着高功率激光器的发展，激光能束已可以熔化大部分的金属材料，因此在金属应用方向上，SLS已越来越多的被SLM（选择性激光熔融）所取代。
选择性激光熔融（SLM：Selective Laser Melting）的工艺过程与SLS几乎完全一致。所不同的是金属粉末在高能量密度激光作用下发生熔化而不是固态烧结，成型件可以直接达到99%以上的致密度；同时由于激光扫描速度快，微小尺寸的熔池带来极快的冷却凝固速度，得到均匀细小的金相组织，大大的提高了材料力学性能；SLM采用53 μm以下粒径的粉末，单层粉末厚度控制在20-100 μm，可实现精密成型，成型件表面质量好；整个工作腔被密闭于惰性气体环境中，避免金属材料在高温下氧化，可以处理钛合金等活跃金属；通过支撑结构的设计，可以打印各种复杂形状产品，包括带有悬空部位的复杂曲面，含有内部流道的结构，镂空复杂形状等。
电子束熔化成型即EBM（Electron Beam Melting），EBM的工艺过程与SLM类似，但是采用高能电子束作为能量源。在真空环境中，高能电子束选择性地熔化金属粉末层，层层堆积直至形成整个实体金属零件。每个粉末层扫描分为预热和熔化两个阶段，在预热阶段，通过使用高扫描速度的散焦电子束多次预热粉末层（ 预热温度高达0.4~0.6 Tm）；熔化阶段，使用低扫描速度的聚焦电子束。相比较SLM，EBM的能量利用率更高，很多对激光吸收率低的材料，可以采用EBM工艺成型；同时，EBM特殊的粉末预热方式与很高的预热温度，进一步扩大了可处理材料范围，使用EBM成型易裂的金属间化合物TiAl就是一个成功的应用。EBM工艺可以采用较大粒径的粉末材料，单层厚度更大，成型效率比SLM要高。但EBM设备需要真空系统，成本昂贵，也限制了打印零件的尺寸；另外在成形过程中会产生很强的X射线，因此需要对工作环境与人员采取特别的保护措施。
激光金属直接沉积技术，即DLMD（Direct Laser metal Deposition）的工作原理同SLM技术类似，同样是采用高能激光束，逐层熔融金属粉末，最终成型三维零件。区别是在DLMD过程中，粉末不是预置在工作平台上，而是通过送粉机构与喷嘴，在激光扫描金属基体时，被实时送入基体表面的熔池中，如下图所示。没有了粉末床的限制，DLMD技术对成型件的尺寸理论上没有任何限制，因此很适合用来成型大型的金属结构件。受限于粉末的汇聚尺寸（一般粉斑直径在1 mm以上），DLMD的成型精度要低于SLM，但是成型效率要高很多。
除了三维成型，DMLD的另一大应用是在各种金属零件的表面熔覆增强涂层。2017年Fraunhofer开发的超高速激光熔覆工艺中，粉末被送入聚焦的激光束中而不是基体表面的熔池中，粉末在激光束中被熔化，然后以熔融状态落到基板上冷却凝固。这一小小的改变产生了巨大的不同，激光的扫描速度对粉末熔化的影响变小，而粉末在激光束中的飞行时间成为了重要影响因素，只要保证粉末充分熔化，激光的扫描速度可以提高到传统熔覆的100倍以上，这极大的提高了熔覆效率，降低了生产成本，目前已成为了有希望取代电镀的熔覆技术。
电弧送丝增材制造技术 ，即WAAM （Wire and Arc Additive Manufacturing）技术采用焊接电弧作为热源将金属丝材熔化，按设定成形路径在基板上堆积每一层片，层层堆敷直至成形金属件。与上述采用粉末原料的多种增材制造技术相比，WAAM的材料利用率更高，成型效率高，设备成本低，对成型件的尺寸基本无限制，虽然成形精度稍差，成型件微观组织粗大，但仍是与激光增材制造方法优势互补的3D增材成形技术。
粘结成型（Binder Jetting）是另一种基于粉末床的3D增材制造技术。不同之处在于，它不是通过激光熔融的方式粘结粉末，而是使用喷墨打印头将粘合剂喷到粉末里，从而将一层粉末在选择的区域内粘合，每一层粉末又会同之前的粉层通过粘合剂的渗透结合为一体，如此层层叠加制造出三维结构的物体。粘结成型可以用于高分子材料、金属、陶瓷材料的制造，当用于金属和陶瓷材料时，粘结成型的原型件需要通过高温烧结将粘合剂去除并实现粉末颗粒之间的冶金结合，才能得到有一定密度与强度的成品。粘结成型制作的金属件力学性能较差，但是成型效率非常高，适合对力学性能要求不高的应用场合。
金属增材制造是最前沿和最有潜力的增材制造技术，是先进制造技术的重要发展方向。金属增材制造技术是以高能束流（激光束/电子束/电弧等）作为热源，通过熔化粉材或丝材实现金属构件逐层堆积成形。根据所采用能量源和成形材料的不同，典型的金属增材制造主要包括激光选区熔化（Selective Laser Melting, SLM）、电子束选区熔化（Electron Beam Melting, EBM）、激光近净成形技术（Laser Engineered Net Shaping, LENS）、电子束熔丝沉积成形（Electron Beam Freeform Fabrication, EBFF）和电弧增材制造（Wire and arc additive manufacturing, WAAM）。
表1：目前较成熟的典型金属增材制造的技术原理和技术特点等的对比
同步丝材送进技术采用电子束或电弧（CMT、MIG、TIG等）等作为热源，将金属丝材加热熔化，连续堆积形成沉积层，最终形成“近形”制件。
沉积层厚度为毫米量级，具有成形效率高，制造成本低等优点，目前该技术主要用于制造大型零件毛坯，随着技术的发展，通过增减材一体化复合，可能将为大型复杂构件的低成本制造提供一种替代方案。
电子束选区熔化（EBM）的优点在于其能量密度高，热影响区小，变形小，生产率高等，但须在真空环境中进行，需要一整套专用设备和真空系统，价格较贵，生产应用具有一定局限性，但是电子束能力密度高，扫描速度快，束斑直径大，成形精度不及激光选区熔化技术，随着电子腔技术的发展，EBM技术将会得到快速的发展。激光成形最重要特点是热量集中，加热快、冷却快、热影响区小，进而影响金属相形成的均匀度。
金属激光近净成形（LENS）采用的激光功率比较大（2-10 kW）、光斑直径大（1-10 mm）、粉末沉积效率高(最大1-3 kg/小时)，但是成形精度低（毫米级别），其技术特点适合应用于大型构件毛坯件的加工成形，随着增减材一体化技术的发展，LENS技术的应用将会进一步得到拓展。
金属选区激光熔化（SLM）成形技术是目前金属增材制造中发展最成熟、应用最广泛的技术，采用激光功率较低（200-1000W）、激光能量密度高（106-8W/cm2）、光斑直径小（50-200μm）、粉末沉积效率低（5-30 cm3/h），但是制造精度很高（20μm），最小壁厚可以达到100μm，构件性能可达到同成分锻件水平，精度远高于精铸工艺，零部件致密度近 100%。目前受到SLM设备成形尺寸的限制，SLM主要用于制造中小型复杂精密构件，但随着多振镜和增减才一体化技术的发展，SLM的应用领域和成形件尺寸都将得到进一步的发展，短期内被其他技术取代的可能性不大。如图1所示，增材制造的成形质量和成形效率之间存在着矛盾，针对不同的应用领域，应综合评估权衡成形质量、效率和成本之间的关系，选择性价比最佳的3D打印该工艺。
3D打印应用的领域越来越宽广，从民用的消费品、文化创意产品、建筑的设计到航空航天的结构，这方面国内很多研究单位做了大量的工作，已经用在飞机结构件的承载件，例如C919的很多零件上。现在中国民用飞机也有自己的目标，上海商发准备80%发动机的零件都用3D打印来支持研发，GE公司也已经有三分之一的飞机发动机零件用3D打印进行生产，并且已完成了30000个燃油喷嘴的SLM成形和应用验证。未来各种增材制造技术将得到进一步的快速发展，效率更高成本更低的增材制造工艺也可能会被不断提出，各种增材制造技术将同台竞技，不断拓展自己的应用领域。
图2表示构件的复杂程度对制造成本的影响，对于传统的机械制造（如车铣刨磨钻），零件的制造成本随复杂程度的提升指数级的增长，且与制造的批量有关系，批量小于3000件时，成本非常高。而零件的复杂程度对增材制造的成本影响很小，增材制造过程几乎不受零件复杂程度的影响，其成本主要决定于制造改零件所需要的时间。
因此对于单件小批量生产和具有较高几何复杂性的零件，增材制造具有显著的竞争优势。传统的零件的制造受到零件本身复杂性的限制，往往在设计过程中并未完全实现功能优先的设计，结构上有很多冗余，浪费材料，增材制造可以通过结构拓扑优化设计，极大的提升其性能，实现轻量化、高强度。增材制造可以将不同成分和颜色的不同材质材料按需分布在所需要的位置，获得理论设计最佳和功能优先的一体化设计和制造，真正意义上实现“控材控形控性控色”。
金属增材制造技术的六大应用场景
金属增材制造技术在制造行业具有更广阔的应用舞台，是增材制造领域对制造业来说最有应用价值的先进制造技术。主要体现在以下几个方面：
在制造领域，有些零部件形状复杂、制备周期长，应用传统铸造锻造工艺生产不出来或损耗较大。而金属增材制造技术则可以快速制造出满足要求的零部件，并具有加工周期短、制造成本低、无需工装和模具等优势。
一个典型的应用就是模具行业随形冷却金属模具的制造。金属模具冷却系统是设计模具工程之一，传统的模具冷却系统是以直线的水路设计为主，制作较简易，但需要的散热时间较长，直接影响了脱模时间、制品质量、制品外观等。设计者通过软件分析模具与水路的散热情形，设计出了异型水路，但是受到既有加工技术的限制，使得异型水路设计只能停留在理论阶段。金属增材制造技术出现后，使这些问题获得了突破性改善。据悉，通过金属3D打印的异型水路模具设计时间减少了75%、制造端人力节省了50%、射出模具生产周期缩短了14％、制造费用降低了16%等。
另外，江苏科技大学海洋装备研究院通过金属增材制造SLM工艺，成功制造出了原本只有英国Heatri一家公司才能生产出来的印刷版式LNG汽化器，而且采用增材制造技术制备的船用LNG汽化器能够完全满足超高压、超低温的运行条件，制造成本和周期也大幅减少。还包括刚刚首飞成功的国产大飞机C919，在北航、西安铂力特等院企的攻克下，通过金属增材制造技术成功研制出了钛合金主风挡整体窗框、起落架整体支撑框、中央翼缘条等关键部件，有效避免了从国外采购，大大提高了C919的国产化率。
金属材料是制造领域必不可少的重要材料，但是在实际的加工过程中，却存在着不少问题，例如钛合金、高温合金、超高强度钢等材料难加工、加工成本高、材料利用率低，加工周期长等。金属增材制造技术所采用的激光、电子等高能束密度高，速度快，极大的改善了金属材料的加工难度，并提高了材料利用率及降低了原材料成本。
以金属增材制造技术应用最早和最广泛的航空航天行业为例。航空航天基于高性能需求，需要大量使用钛合金和镍基超合金等昂贵的高性能、难加工的金属材料。但零件的材料利用率非常低，一般低于10%，有时甚至于仅为2%-5%，大量昂贵的金属材料变成了难以再利用的废屑。
美国最大的航空发动机制造公司之一普惠公司应用增材制造技术用于发动机的镍基合金和钛合金部件的研制，结果显示：不但获得了与当前材料一致的性能，大大缩短了制造周期，提升了复杂几何结构的制造精度；而且原材料消耗降低了50%，并将发动机的BTF比（原材料质量与部件最终质量之比）从传统工艺的20:1降低到2:1以下，有效的提高了部件的质量和降低了制造成本。
3D打印非常适合个性化定制生产、小批量生产。当前，金属增材制造的个性化制造在医疗器械的应用极为突出，一方面用于打印具有个性化需求的植入物/假体或模仿仿生原理的复杂结构。这些植入物通过3D打印技术的精确控制，有效实现外在轮廓及内部结构的同步重建，以满足其与患者局部解剖结构的高度匹配，其中具有生物相容性的钛合金材料是重要的加工材料，打印出来的多孔结构植入物，可以更好的与人体组织结合。另一方面，金属增材制造技术还可用于为病人量身定做植入手术所需的精密部件，例如华南理工大学利用激光选区熔化技术（SLM）已成功研制了外科手术所需的个性化辅助导板。
个性化、小批量生产已经成为当前制造业发展的趋势，金属3D打印摆脱了模具制造这一关键技术环节，可以随时调整参数，以更低的成本更短的周期进行小批量甚至单件产品的生产。除了医疗器械行业，在其他行业也极具应用潜力。
高成本零件的成形修复也是金属增材制造技术的突出优势。过去，对于受损零部件只能做表面的涂层修复，并且维修工序步骤繁多，还涉及到一些额外的步骤如加工、抛光、测试等，同时还受维修时限条件的制约，耗时较长；而对于损伤稍严重的零部件也只能作更换处理。金属增材制造技术则可以对任意缺失或损环的部分进行快速成形和修复。
例如航空航天零件结构复杂、成本高昂，一旦出现瑕疵或缺损，只能整体换掉，可能造成数十万、上百万元损失。而通过金属3D打印技术，可以用同一材料将缺损部位修补成完整形状，修复后的性能不受影响，大大延长了使用寿命，降低了成本，减少了停机时间。
图：德国MTU 航空发动机公司整体叶盘激光修复过程流程
其实除了航空航天领域外，机械、能源、船舶、模具等行业也对大型装备的高性能快速修复提出了迫切需求。据悉，西门子公司计划从2014年开始采用金属3D打印技术制造和修复燃气轮机的某些金属零部件，并称在某些情况下，通过3D打印技术可以把对涡轮燃烧器的修理时间从44周缩减为4周。
对于传统制造方式（铸造、锻造等）来讲，将不同材料组合成单一产品非常困难，但是增材制造技术有能力使不同原材料进行组合制造。金属增材制造LSF技术可以在通过铸造、锻造和机械加工等传统技术制造出来的零件上任意添加同/异质材料的精细结构，并且使其具有与整体制造相当的力学性能。因此，针对部分工业零件适当利用增材制造技术进行组合制造，不同的结构部位采用不同类别的金属材料，不仅大大提高结构件的性能，而且降低了成本，特别是昂贵材料的成本。同时，也把增材制造技术成型复杂精细结构的优势与传统制造技术高精度本的优势结合起来，形成了最佳的制造策略。
增材制造技术快速自由成型的特点，给产品的设计带来了无限的创新空间，为实现最优化的设计提供了有效的制造途径。特别是当前应用得比较多的拓扑优化技术，与传统的经验式设计模式不同，经过拓扑优化的创新模型是在满足设计约束下的最优拓扑结构。但是优化后创新模型结构十分复杂，可制造性差，因此在设计阶段不得不引入制造性约束，以满足传统加工制造工艺的要求。往往这样得到的产品结构是牺牲掉了其在轻量化和高性能上的优势。而金属增材制造技术则可以使这些经拓扑优化后的创新模型，不用考虑制造约束并快速实现制造。
例如空客A320飞机的大尺寸“仿生”机舱隔离结构，这一结构是通过拓扑优化设计，金属3D打印制造而成，材料是采用的超强且轻质合金材料Scalmalloy。A320全新的机舱设计与原有的隔离结构相比，新型的仿生隔离结构由几个不同的部件组成，不仅强度更高，而且将其总量减轻了45%。
另外，GE采用增材制造技术制造的Leap喷气发动机的金属燃料喷嘴，是通过长达10多年的探索通过不断的优化、测试、再优化，才达到零件数量从20多个减少到了一个。这样造出的燃油喷嘴不仅重量更轻，而且改善了喷油嘴容易过热和积碳的问题，将喷油嘴的使用寿命提高了5倍；另外，减少组装也提升了喷嘴的稳定性，并为公司降低了物流、组装、焊接等方面的成本。
金属增材制造技术实现轻量化的四种途径
轻量化这一概念最先起源于赛车运动，它的优势其实不难理解，重量轻了，可以带来更好的操控性，发动机输出的动力能够产生更高的加速度。除了汽车领域以外，航空航天领域也有大量轻量化的需求。今天的干货“力”荐时间将向大家介绍西安铂力特激光成形技术有限公司（以下简称“铂力特”）金属3D打印技术实现轻量化的四种途径。
轻量化这一概念最先起源于赛车运动，它的优势其实不难理解，重量轻了，可以带来更好的操控性，发动机输出的动力能够产生更高的加速度。除了汽车领域以外，航空航天领域也有大量轻量化的需求。今天的干货“力”荐时间将向大家介绍西安铂力特激光成形技术有限公司（以下简称“铂力特”）金属3D打印技术实现轻量化的四种途径。
铂力特每年投入大量的研发人员及研发经费用于金属3D打印轻量化研究，要实现轻量化，宏观层面上可以通过采用轻质材料，如钛合金、铝合金、镁合金等材料来达到目的。微观层面上可以通过采用高强度结构钢这样的材料使零件设计得更紧凑和小型化，有助于轻量化。
而金属3D打印带来了通过结构设计层面上达到轻量化的可行性。具体来说，金属3D打印通过结构设计层面实现轻量化的主要途径有四种：中空夹层／薄壁加筋结构、镂空点阵结构、一体化结构、拓扑优化结构。
铜合金尾喷管的内外壁之间设计了50条随形冷却流道，增大冷却接触表面积，降低温度达到快速冷却的效果，有效提高了零件的工作温度。
中空夹层、薄壁加筋结构通常是由比较薄的面板与比较厚的芯子组合而成。在弯曲荷载下，面层材料主要承担拉应力和压应力，芯材主要承担剪切应力，也承担部分压应力。夹层结构具有质量轻、弯曲刚度与强度大、抗失稳能力强、耐疲劳、吸音与隔热等优点。
在航空、风力发电机叶片、体育运动器材、船舶制造、列车机车等领域，大量使用夹层结构，减轻重量。
如果用铝、钛合金做蒙皮和芯材，这种夹层结构被称作金属夹层结构，铂力特在3D打印过程中，采用夹层结构，实现构件的快速轻量化，经过设计的夹层结构对直接作用外部于蒙皮的拉压载荷具有很好的分散作用，薄壁结构（比如壁厚1mm以下）也能对减重做出贡献；夹层及类似结构可用作散热器，在零件上应用，极大地提高零件的热交换面积，提高散热效率。
镂空点阵结构可以达到工程强度、韧性、耐久性、静力学、动力学性能以及制造费用的完美平衡。
三维镂空结构具有高度的空间对称性，可将外部载荷均匀分解，在实现减重的同时保证承载能力。除了工程学方面的需求，镂空点阵结构间具有空间孔隙（孔隙大小可调），在植入物的应用方面，可以便于人体肌体（组织）与植入体的组织融合。
镂空点阵单元设计有很高的的灵活性，根据使用的环境，可以设计具有不同形状、尺寸、孔隙率的点阵单元。铂力特在这方面做了不断的尝试：在构件强度要求高的区域，将点阵单元密度调整的大一些，并选择结构强度高的镂空点阵单元；在构件减重需求高的区域，添加轻量化幅度大的镂空点阵结构，镂空结构不仅可以规则排列，也可以随机分布以便形成不规则的孔隙。另外，镂空结构还可以呈现变密度、厚度的梯度过渡排列，以适应构件整体的梯度强度要求。
GE通过3D打印实现了喷油嘴结构一体化，提高了使用寿命和整体性能。
金属3D打印可以将原本通过多个构件组合的零件进行一体化打印，这样不仅实现了零件的整体化结构，避免了原始多个零件组合时存在的连接结构（法兰、焊缝等），也可以帮助设计者突破束缚实现功能最优化设计。
一体化结构的实现除了带来轻量化的优势，减少组装的需求也为企业提升生产效益打开了可行性空间。这方面典型的案例是GE通过长达10多年的探索将其喷油嘴的设计通过不断的优化、测试、再优化，将喷油嘴的零件数量从20多个减少到一个。通过3D打印将结构实现一体化，不仅改善了喷油嘴容易过热和积碳的问题，还将喷油嘴的使用寿命提高了5倍， 并且将提高LEAP发动机的性能。
拓扑优化展示件根据引用要求边界条件，进行拓扑优化处理及打印模型光顺处理，实现了可打印性，最终减重了75％。
作为solidThinking及3－Matic软件中国航空航天独家代理商，铂力特与Altair以及Materialise的“联姻”为金属3D打印提供了更多可能性。
拓扑优化是缩短增材制造设计过程的重要手段，通过拓扑优化来确定和去除那些不影响零件刚性的部位的材料。拓扑方法确定在一个确定的设计领域内最佳的材料分布：包括边界条件、预张力，以及负载等目标。
拓扑优化对原始零件进行了材料的再分配，往往能实现基于减重要求的功能最优化。拓扑优化后的异形结构经过仿真分析完成最终的建模，这些设计往往无法通过传统加工方式加工，而通过金属3D打印则可以实现。
增材制造的发展已经不单纯是一个技术问题，而是一个生态问题了。当然，在技术层面，3D打印仍在不断创新、深入、延伸和融合；而在生态层面，增材制造正不断向系统化、平台化、生态化方向发展。在消费级，3D打印倾向于个性化、定制化发展；在工业级，3D打印更强调金属增材制造的低成本批量化应用。任何技术的创新发展都有其成长轨迹，由于增材制造在数字化、轻量化、更好性能、更好设计、更利于建模模拟测试、更短制作周期等方面具有独特优势，其发展潜力无疑是非常巨大的。
增材制造设计指南----雷尼绍
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。
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。
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。
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：
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：
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。
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：
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。
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。
在任何叠层制造工艺中，加工方向始终限定在Z轴 — 即垂直于加工托盘。请注意，加工方向并非始终都是通用方向。应当选择合适的方向，以便使用最少的支撑材料或不使用支撑材料来生产最稳定的加工件。
在粉末床加工工艺中，由于形状是一层层构建起来的，因此层与层之间的关联方式非常重要。当每一层熔化时，它需要下面的一层来提供物理支撑和散热路径。
当激光熔化粉末层时，如果粉末层下方为固体金属，则热量会从熔池传递至下方结构，这会再次熔化部分固体金属并形成牢固的焊接。随着激光源移开，熔池也将快速凝固，因为热量已被有效传递出去。
如果零件具有悬伸部分，那么熔池下方区域至少有一部分会是未熔粉末。这些粉末的导热性远远低于固体金属，因此来自熔池的热量会保留更长时间，导致周围更多粉末烧结。结果可能是，多余材料附着在悬伸区域的底面，这意味着悬伸结构可能呈现出畸形和粗糙的表面。
图：在固体金属上方熔化粉末能够快速冷却（左）。当粉末熔化过程发生在悬伸区域时，由于其下方是未熔粉末，因此需要更长时间冷却，而多余的材料可能会附着在零件的底面。来源雷尼绍
一般来说，与加工托盘形成的角度小于45度的悬伸结构需要支撑。
悬伸表面被称为下表层。它们通常会呈现出比垂直壁面和朝上表面更粗糙的表面。这种效果是熔池冷却速度减慢导致悬伸结构下方的粉末局部烧结所致。
通常能够在多个方向上完成一个零件的加工。我们应选择可实现最理想的零件自身支撑的摆放方向，以便尽可能降低加工成本并减少后期处理工作。
图：一个零件通常可沿多个方向完成加工，摆放方向的选择将大大影响支撑材料用量以及所需的后处理工作量。从左起：
- 修改设计，添加额外的锥形以减少支撑，结果可导致零件质量增加，可能需要后处理加工 / 线切割加工
- 倾斜45度 — 除了一个局部最低点外，大部分采用零件自身支撑（详情请参见下文）。下表层和上表层将呈现出不同的表面粗糙度
- 倒置，底面采用短支撑 — 加工时间缩短，但后期需要对支撑面进行精加工
紧密附着在粉末床上，留出适合电火花 (EDM) 移除的毛坯余量 — 残留应力可能是个问题
- 与前一种方式相似，但附着区域较少，减少了应力累积 — 从制造角度来看，这可能是最高效的设计
- 最后一种方法（未显示）是将零件平放在托盘上。这可以降低加工高度，但也会限制可在加工托盘上摆放的零件数量，并且容易形成更大的残留应力。
最好是在零件设计过程的前期便使用加工文件处理软件评估各个摆放方向，以确定最有效的方式。一旦做好决定，便可以在此基础上继续进行详细设计。
局部最低点是零件上未与下方粉末熔融层连接的任何区域。这些区域在加工过程中需要添加支撑来固定。如果在下方没有支撑结构的情况下开始加工，当刮刀处理下一层时可能会造成第一个加工层发生位移，导致加工失败。
局部最低点可能会非常明显，如上例所示。它们也可能出现在与零件边缘相交的横孔和斜孔的顶部（如下例所示）。
如前所述，下表层的表面光洁度一般较差。如果我们要生产具有最佳精度的细节特征，那么最好将这些特征定位在零件的顶面，也就是上表层。嵌入下表层的细节特征很有可能会损失精度。
另一个要考虑的问题是零件相对于加粉刮刀的摆放方向。当添加一层新的粉末时，刮刀会在粉末床上铺开粉末，粉末逐渐被刮刀挤压以形成新的密集层。当材料被挤压时会在粉末床上形成压力波。该压力波会与朝向刮刀方向倾斜的零件表面相互作用，向下挤压粉末并向上挤压零件的前边缘。这可能会使零件钩到刮刀上，导致加工失败。请注意，柔性刮刀可以降低这种影响。
支撑和斜边的摆放应尽可能远离刮刀方向。通过旋转零件，压力波现在能够以倾斜的角度冲击零件，因此降低了零件变形的可能性。
如果无法通过旋转调整位置，或零件是旋转对称的，则可能需要添加支撑，而受影响的加工面可能需要进行后期处理。
- 残留应力和表面光洁度也是受摆放方向影响的重要因素
- 具有复杂几何形状的零件可能不太容易摆放 — 通常需要在表面质量、细节、加工时间/成本和支撑结构之间权衡取舍
正如我们之前讨论的，依赖支撑来克服摆放方向问题不是一种好的工程设计实践。虽然我们可能会容忍在制造原型零件时付出额外的加工时间和后期处理成本，但是此类浪费在批量生产增材制造零件时则是难以接受的。过度依赖支撑表明这个零件的几何形状“不够稳固”，这对成品率有潜在影响。尽管我们可以通过设计来尽可能减少支撑，但有时也不可能将其完全消除。支撑有三大主要功能：隔离材料 — 支撑可用于“固定”未与前一层相连的材料（即与加工托盘形成的角度小于45°的悬伸结构，或局部最低点特征）。最好是将支撑结构集成到组件设计中。残留应力 — 我们应通过设计来减小加工过程中的残留应力，避免尖锐边缘，并避免大面积加工区域直接附着在加工托盘上。如果这点无法实现，那么可以应用支撑来抵消零件中的应力，防止材料从加工托盘上脱落。这一方法不推荐用于批量生产加工件。散热通道 — 未熔粉末是一种绝热体。支撑会从下表层区域转移走一些热量，这有助于避免粉末燃烧、过度熔化、变形和变色；对于正对刮刀方向的下表层，其效果尤为显著。通过旋转零件改变其与刮刀的相对朝向，也可减少上述不利影响。主要支撑指的是那些在CAD环境中随组件一起开发的支撑，它是一次性结构，当加工完成时将被移除。辅助支撑是那些在加工文件处理软件中生成的支撑。主要支撑的特点是坚固，可控性更好。可以将它们导入到加工文件处理软件中（以STL形式），或与零件的主体一起设计。还可以使用完整的修订控制功能将它们以参数的形式导出。也可以执行有限元应力分析。此外，我们可以设计和模拟主要支撑，让其以可控方式传递热量。在加工文件处理软件中创建的辅助支撑也可通过参数进行管理，但缺乏可追溯性和可重复性。如果更改零件设计，它们可能需要重建。
混合支撑设计充分利用CAD设计和加工文件处理软件的优势来实现最佳方案。虽然0.3 – 1 mm的水平悬伸结构可采用自身支撑，但是不建议这样做。而超过1 mm的悬伸结构则必须要重新设计或为其添加支撑。可在组件中添加圆角和倒角以消除悬伸结构（如图中所示）。孔洞和管道内的支撑很难移除，并且可能需要后续加工。同样，支撑太小也会给移除带来难度。如果零件的几何形状比支撑更加脆弱，则在后期处理过程中零件损坏的风险较高。零件侧面露出的横向孔可能也需要支撑。在大多数激光粉末床机器上可加工出的孔的最小尺寸为0.4 mm。直径大于10 mm的孔洞和管道将需要在其中心添加支撑，此时应考虑重新设计。直径介于这两个尺寸之间的孔洞可在不添加支撑的情况下加工，但它们的下表层表面可能会出现一些变形，这是因为悬伸部分上方的熔池冷却速度减慢所致。由于水平孔的圆度很可能不会十分理想，因此更可行的方法通常是改变它们的形状以便它们能够采用自身支撑。在某些情况下，泪滴形或菱形孔都是可以接受的最终特征。两种轮廓都可用于流体通道，并可提供相似的液压性能，但是菱形孔能够更好地抵抗流体压力。在其他情况下，如果要求必须有高精度的圆孔，则需要进行后期加工。菱形孔可用作铣削加工的对称导孔，这点比泪滴形孔更好。在许多情况下，不在增材制造阶段加工这些孔，而是在后期处理阶段在实心结构上钻孔，这可能是最合理的方式。- 直接紧贴加工托盘完成零件加工，同时留有额外的加工余量拓扑优化和衍生设计越来越多地用于设计具有更高效率的零件。网状结构也具有减轻重量的优势。增材制造技术生产复杂形状零件的能力使之成为实现此类设计的最佳方式。这些优化技巧的主要目的是，在移除多余材料的同时保持结构的强度和刚性。经过优化的零件通常呈现出更为复杂、有机的外观。需要注意的是，功能经过优化的零件可能未必适合采用增材制造方式加工 — 尤其就加工零件摆放方向而言。图：可明显看到，以水平摆放方向加工该零件时，那些突出显示为红色的悬伸区域内需要添加很多支撑。沿垂直方向重新摆放零件后，需要添加支撑的区域将变少。圆孔等细节将需要添加支撑或重新设计。还需要注意的是优化的支撑杆与圆角半径的交汇角。在设计阶段重新评估零件时已将摆放方向考虑在内，因此，很显然该零件在进行增材制造加工时只有一个摆放方向。现在要针对后期加工重新设计横向孔等细节：设计师可能需要结合各种优化技巧 — 拓扑优化、空心零件、网状结构（如适用）— 以实现高效的设计。零件摆放方向应该是继适用性、形状及功能之后的又一个关键的设计驱动因素。
