結合增材制造思維的正向設計案例分析

2020年5月25日 作者：林傳春

目前國內普遍將3D打印應用于產品的原型階段，產品設計并沒有根據(jù)3D打印的特點發(fā)生改變，而在應用的更高層次，包括“零部件組合優(yōu)化” 、 “拓撲優(yōu)化工業(yè)再設計” 、以及以“創(chuàng)成式設計”為代表的DfF(面向功能實現(xiàn))的全新設計，可以稱為“以增材思維為核心的先進設計”，是一種面向正向設計體系的思維和能力。這種能力是中國工業(yè)未來十年必須建立的能力?！?D打印對所占用的材料成本更加敏感，而對設計的復雜性并不敏感，也就是說3D打印適合制造復雜形狀的產品，包括一體化結構、仿生學設計、異形結構、輕量化結構、薄壁結構等。

筆者作為多年運用增材思維設計的設計師，對以上想法感同身受。3D打印以其結構設計的自由性，給設計師的結構設計提供更多的發(fā)揮空間。不僅降低產品設計難度，還提升產品的設計功能指標。在公開案例中，多以航空航天領域中實現(xiàn)功能高要求、設計結構復雜的關鍵性部件，如燃油噴嘴，散熱控制等，但這些結構屬于單一功能實現(xiàn)的靜態(tài)性結構，而非運動性結構。本文將結合筆者多年來應用3D打印思維，設計機械運動類部件的相關實戰(zhàn)經驗和案例，給大家展示結合增材制造思維做機械結構部件的正向設計的思維模式和設計流程。希望對大家有所幫助。

一個產品或者零件在正向設計的過程中，有一個標準的設計流程指導，能夠幫助設計師高效率的思考零件的設計要點，計算相關尺寸參數(shù)，并核對設計點是否完成，使得產品原型以最少的迭代次數(shù)，甚至一次驗證就實現(xiàn)產品設計定型。

下面，筆者以某種笛卡爾XYZ坐標系運動類設備上的 X軸3D打印運動主部件的設計來向大家說明，正向設計是如何與增材思維組合，實現(xiàn)一個零部件的設計。本文將設計流程分以下四個章節(jié)進行講解。

一  機械電子配件選型

二  結構分析與設計要求

三  結合傳統(tǒng)制造方法做零件設計的問題

四  結合增材制造做零件設計的思維

一  機械電子配件選型

功能要求直接決定機械和電子的配件選型，在機械運動性結構設計中， 快速確定符合功能的配件選擇，需要設計師常年經驗積累。所以，配件選型是衡量設計師專業(yè)水平的核心能力之一。由于電子部分涉及總體電路系統(tǒng)設計與選型，不屬于本文核心闡述內容，在這里我們重點講解機械配件選型。

A 結構功能總體分析

該部分屬于典型的笛卡爾坐標類機械設備設計中X軸運動結構，由于該類型的機械設備，其機械誤差累積是XYZ 3個運動方向的機械精度組合，單軸方向的精度提升對整體機械結構的精度提升都有巨大的意義。

B 配件選型

在該方案設計中，綜合成本，精度，負載等諸多因素考慮，選用保證精度的機械配件為2根直徑8mm的直線光軸和長度為45mm的直線軸承。

C 對零件設計的核心功能分析

1 x軸掛載的功能部件越輕，其運動慣性越小，工作時，運動的精度越高。

2 功能部件的寬度越小，在滿足行程的情況下，機械結構整體框架尺寸也就越小。

D 性能評估與“閉環(huán)”設計

設計師在設計初期對實現(xiàn)性能進行預估，或者根據(jù)以往經驗進行推算預估，有助于對后續(xù)設計的步驟一一對照，確認是否符合最初的設計要求，實現(xiàn)“閉環(huán)”設計。養(yǎng)成每個局部設計符合預估要求的“閉環(huán)”思考習慣，避免因局部設計缺陷影響整體設計性能的問題發(fā)生，導致不必要的二次迭代，這是很多設計師產生不必要的迭代設計的根本原因。有時候，在產品設計前對相關性能參數(shù)做明確規(guī)定。此種情況下，性能的評估和上面的選型步驟等均按照設計前規(guī)定好的功能參數(shù)來選擇和分析。

在本設計中，根據(jù)經驗，在掛載小于500g，最大運動速度在80mm/s以及工作運動行程320mm的情況下，考慮運動振動等因素，初步評估其機械運動精度在0.05mm以內。

二 結構分析與設計要求

由于我們所設計的是運動類部件，對結構的運動干涉分析和結構穩(wěn)定性分析等至關重要，同時還要考慮設計完成后達到的目標是什么。

對X軸3D打印主部件，部件功能結構的要求分析如下：

1  固定直線軸承，保證兩個直線軸承的平行度和固定穩(wěn)定性。

2  固定加熱頭，結構上要避免其高溫部分接觸打印件造成零件的損壞，保證長期使用的可靠性。

3  固定3個散熱風扇，并給散熱風扇專門設計通氣通道，保障氣流的流暢和散熱的冷卻效果。

4  固定傳動的皮帶，并實現(xiàn)“雙向固定”。即X軸運動方向通過機械結構實現(xiàn)快速切換的功能。

5  該部分運動到歸零位置的時候，能夠與限位開關匹配，實現(xiàn)歸零的功能。

6  電路板的固定，與該部分相關的5個電子部件（加熱棒、測溫電阻、主散熱風扇、模型散熱風扇）接在集成電路接口板上。

以上6點是與結構和電子選型配件相關的功能要求說明，在設計上滿足了以上功能的布局后，以下6點就是關鍵的設計優(yōu)化性指標:

1  高強度——保證相關零配件很好的固定在結構框架件上，工作時不會松動或者振動，影響工作質量。

2  輕量化——整體部件重量要盡可能的輕.，減少運動慣性，以此提高運動速度和保障運動精度。

3  緊湊性——整體的寬度要盡可能的窄，以增加運動的行程范圍，運動部件的緊湊設計對整體機械結構的尺寸起到了關鍵的作用。

4  一體化——用來固定相關選型零配件的設計件盡可能的一體化，提高結構強度，減少零件數(shù)量。

5  易裝配——按照標準的安裝方法，相關部件都能易于安裝，不會出現(xiàn)某些部分由于結構的緊湊導致裝配困難問題。

6  維護性——在單個相關配件出現(xiàn)問題的情況下，能夠以最少的拆卸步驟實現(xiàn)部件的更換。

以上6點結構分析和6點設計指標要求，是設計師必須考慮到的問題，這些問題是正向設計在進入制造實現(xiàn)階段前需要考慮的問題。

三 結合傳統(tǒng)制造方法做零件設計的問題

如果設計師使用一些傳統(tǒng)的加工制造方法，以傳統(tǒng)的制造設備實現(xiàn)零件生產，鈑金結構件和CNC金屬切削加工是實現(xiàn)該類設計的主要選擇。零件特點必然需要導致大量的螺絲緊固件的使用，來緊固結構形成一體的部件，這導致了諸多問題產生。

1  設計上考慮的加工因素多樣，設計難度大；

2  加工驗證時間周期長；

3  最后設計制造出來的部件重量大，運動慣性大，精度差；

4  結構不緊湊，占用空間大；

5  分體設計帶來的大量的緊固工作會導致工人裝配工作量和難度的增加，人力成本增加；

6  維護性差，單一部件更換需要耗費大量的人力時間；

以上是使用CNC和鈑金結構件制造的形式所產生的問題，而如果構件以塑料模具制造的方式設計，那么結構的輕量化，緊湊性，一體化就可以實現(xiàn)，但是設計師就需要掌握適合開模的結構設計技巧，加工模具和量產的時間周期更長，成本高昂。

從這里我們可以看出，以傳統(tǒng)制造思維來實現(xiàn)復雜集成性結構設計，需要花費大量時間，精力，資金成本，且性能受限。下面我們來看增材制造思維是如何來幫助正向設計，實現(xiàn)省時省力省資金的產品設計。

四  結合增材制造做零件設計的思維

在筆者看來，增材思維就是考慮以增材制造的方式實現(xiàn)產品設計、生產的思維模式。具體在零件設計時，則可以拆分成以下幾點，靈活的應用在具體零件設計的過程中。

1 功能優(yōu)先思維

3D打印可以實現(xiàn)任意的結構 ，所以零件復雜與否不重要，優(yōu)先考慮以下內容（可按順序建模實現(xiàn)）

2 最優(yōu)功能布局設計

對于結構設計而言，重要的一點是關鍵部件的相對空間位置問題：將其各種配件模型在數(shù)字化建模軟件里進行合理的布局。確定各種配件的相關空間尺寸，這需要大量的空間位置計算。對于多部件固定性零件設計而言，設計師需要“腦補”后續(xù)裝配時，可能因為本身布局原因就會產生組裝干涉，運動干涉，維護是否方便等問題。所以，關鍵部件的相對空間位置布局，是衡量結構設計師水平的關鍵因素之一。

3 強度設計——強度適應性設計原則

在確定布局的前提下，我們就可以來設計具體的連接性結構，這里的強度適應性設計原則

簡單解釋，就是“哪里需要強度，哪里設計厚一些”。在需要高強度的地方通過大壁厚設計增加強度，最后出來的一體化部件，就可以初步實現(xiàn)輕量化設計的目標。

對于輕量化設計要求高的零部件，可考慮采用拓撲優(yōu)化的方式，將大塊的連接性結構，通過拓撲優(yōu)化的軟件，直接優(yōu)化成最優(yōu)結構解，然后根據(jù)結果做參考建模的依據(jù)，進行二次優(yōu)化建模，得到的零件就可以符合強度設計的要求。

對于一般固定結構，沒有必要做拓撲優(yōu)化設計的情況下，可采用匹配強度的壁厚組合的的設計方法，

對于固定性結構設計而言，壁厚多少與強度成正比。基于此原理，我們可以結合具體使用材料，以不同方向，打印不同厚度得到不同強度值的標準參數(shù)，來設計相關位置的壁厚，保證該部分有足夠的強度，在筆者總結的“林3S原理”中，總結記錄了不同材料，不同壁厚，不同打印方向對強度影響的關鍵性參數(shù)，有需要的朋友可以直接聯(lián)系筆者交流學習。以“哪里不夠補哪里”為基本原則，將零件固定位置逐漸連接到一起，強度設計問題也迎刃而解。接下來就是通過圓角倒角的方式做好強度過渡的處理，形成一個壁厚設計合理，強度分布匹配功能要求的基礎零件。

1  分層思維

我們都知道，3D打印是分層累積堆積而成的。這樣的分層制造原理，也決定了其在強度分布上與層有著密不可分的關系。一個圓孔平躺著切片打印和垂直切片打印，其強度，精度等都會受到很大影響。對于懸空結構，和帶角度結構，還存在支撐的問題。這也是3D打印獨有的工藝性問題。在筆者總結的“林3S原理”中，總結記錄了典型機械結構的3D打印工藝性設計要點以及關鍵位置在做公差配合設計時，合理的公差值是多少。在滿足了前面的功能布局和強度設計的要求下，考慮3D打印分層制造的工藝特點，能夠讓設計出來的零件同實際制造出來的零件，尺寸和強度更符合預期的目標。

2  無支撐設計思維

如果把功能優(yōu)先思維和分層思維比作房子的基礎裝修，那么，無支撐設計思維則算是一個“精裝修”的過程。該步驟就是在滿足強度和精度的情況下，如何細微調整現(xiàn)有的結構設計，在滿足功能，強度，精度等要求的前提下，使得產生的支撐接近于0的設計。最為大家熟知的是“任何位置相對底面大于45度”的角度法則，其深入骨髓的靈活運用能夠讓結構產生的支撐最小，在筆者總結的“林3S原理”中，總結記錄了更多的典型機械功能結構的無支撐設計技巧和注意事項，以幫助設計師優(yōu)化結構的局部設計，實現(xiàn)設計最優(yōu)解。

在筆者設計的該X軸部件設計中，首先確定了相關配件的布局設計，壁厚的設計選擇了 2mm/3mm/5mm的3個強度梯度進行設計，結合固定位以“加法”的方式設計，完成了大部件一體化設計的目標。其次考慮分層方向和支撐生成的問題，對零件進行細節(jié)優(yōu)化

包括大量倒角圓角的運用，無支撐結構設計等。最后對相關設計功能，一一核對之前的功能說明和設計預估，待確定以后，完成了該零件原型的”閉環(huán)”設計。

通過打印驗證，該零件的相關尺寸，強度和精度均和預估相符合，一次性實現(xiàn)原型的功能開發(fā)。

通過對上文的闡述，這里對衡量設計師水平的關鍵能力做以下總結；

1  確定符合功能的配件選擇

2  根據(jù)功能對設計要點的詳細分析

3  關鍵部件的相對空間位置布局

4  合理的強度計算與設計

5  對制造工藝的充分理解和運用——制造思維

6  對局部設計逐一核對的閉環(huán)設計思維

寫到這里大家可以看出，像這樣的高度復雜的一體化設計部件，需要考慮的因素眾多，

需要積累大量的設計經驗，才能完成結合增材思維的正向設計。如果局部功能結構中，存在一些制造效果分析，自己沒有把握的地方，則可能需要單獨出來打印驗證，而不用整體全部打印，這樣可加快產品的迭代。

筆者在之前發(fā)表的《國內制造企業(yè)如何融入面向增材制造的設計？》文章中也提到了功能融合設計法的概念，其實也就是將積累的功能性結構設計通過設計上的加法，實現(xiàn)功能組合。本文則是從更為具體的實際設計層面，分析設計思路和需要考慮的問題點，也希望此文能對大家的產品設計有所幫助，結合提供的思考流程，順利的完成適合于增材制造的產品開發(fā)。

作者在3D打印行業(yè)從業(yè)多年，一直在3D打印技術方面以DfAM的設計思維做設計實踐運用，立志推廣3D打印技術的運用。歡迎添加個人微信交流學習。

本文為特約作者：林傳春 授權3D打印資源庫發(fā)布，版權歸原作者所有。文章系作者個人觀點，不代表D打印資源庫立場。如需轉載請聯(lián)系原作者，如有任何疑問，請聯(lián)系kefu@3dzyk.cn。

來自：林傳春

郵箱：1209320732@qq.com

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結合增材制造思維的正向設計案例分析

2020年5月25日 作者：林傳春

目前國內普遍將3D打印應用于產品的原型階段，產品設計并沒有根據(jù)3D打印的特點發(fā)生改變，而在應用的更高層次，包括“零部件組合優(yōu)化” 、 “拓撲優(yōu)化工業(yè)再設計” 、以及以“創(chuàng)成式設計”為代表的DfF(面向功能實現(xiàn))的全新設計，可以稱為“以增材思維為核心的先進設計”，是一種面向正向設計體系的思維和能力。這種能力是中國工業(yè)未來十年必須建立的能力?！?D打印對所占用的材料成本更加敏感，而對設計的復雜性并不敏感，也就是說3D打印適合制造復雜形狀的產品，包括一體化結構、仿生學設計、異形結構、輕量化結構、薄壁結構等。

筆者作為多年運用增材思維設計的設計師，對以上想法感同身受。3D打印以其結構設計的自由性，給設計師的結構設計提供更多的發(fā)揮空間。不僅降低產品設計難度，還提升產品的設計功能指標。在公開案例中，多以航空航天領域中實現(xiàn)功能高要求、設計結構復雜的關鍵性部件，如燃油噴嘴，散熱控制等，但這些結構屬于單一功能實現(xiàn)的靜態(tài)性結構，而非運動性結構。本文將結合筆者多年來應用3D打印思維，設計機械運動類部件的相關實戰(zhàn)經驗和案例，給大家展示結合增材制造思維做機械結構部件的正向設計的思維模式和設計流程。希望對大家有所幫助。

一個產品或者零件在正向設計的過程中，有一個標準的設計流程指導，能夠幫助設計師高效率的思考零件的設計要點，計算相關尺寸參數(shù)，并核對設計點是否完成，使得產品原型以最少的迭代次數(shù)，甚至一次驗證就實現(xiàn)產品設計定型。

下面，筆者以某種笛卡爾XYZ坐標系運動類設備上的 X軸3D打印運動主部件的設計來向大家說明，正向設計是如何與增材思維組合，實現(xiàn)一個零部件的設計。本文將設計流程分以下四個章節(jié)進行講解。

一  機械電子配件選型

二  結構分析與設計要求

三  結合傳統(tǒng)制造方法做零件設計的問題

四  結合增材制造做零件設計的思維

一  機械電子配件選型

功能要求直接決定機械和電子的配件選型，在機械運動性結構設計中， 快速確定符合功能的配件選擇，需要設計師常年經驗積累。所以，配件選型是衡量設計師專業(yè)水平的核心能力之一。由于電子部分涉及總體電路系統(tǒng)設計與選型，不屬于本文核心闡述內容，在這里我們重點講解機械配件選型。

A 結構功能總體分析

該部分屬于典型的笛卡爾坐標類機械設備設計中X軸運動結構，由于該類型的機械設備，其機械誤差累積是XYZ 3個運動方向的機械精度組合，單軸方向的精度提升對整體機械結構的精度提升都有巨大的意義。

B 配件選型

在該方案設計中，綜合成本，精度，負載等諸多因素考慮，選用保證精度的機械配件為2根直徑8mm的直線光軸和長度為45mm的直線軸承。

C 對零件設計的核心功能分析

1 x軸掛載的功能部件越輕，其運動慣性越小，工作時，運動的精度越高。

2 功能部件的寬度越小，在滿足行程的情況下，機械結構整體框架尺寸也就越小。

D 性能評估與“閉環(huán)”設計

設計師在設計初期對實現(xiàn)性能進行預估，或者根據(jù)以往經驗進行推算預估，有助于對后續(xù)設計的步驟一一對照，確認是否符合最初的設計要求，實現(xiàn)“閉環(huán)”設計。養(yǎng)成每個局部設計符合預估要求的“閉環(huán)”思考習慣，避免因局部設計缺陷影響整體設計性能的問題發(fā)生，導致不必要的二次迭代，這是很多設計師產生不必要的迭代設計的根本原因。有時候，在產品設計前對相關性能參數(shù)做明確規(guī)定。此種情況下，性能的評估和上面的選型步驟等均按照設計前規(guī)定好的功能參數(shù)來選擇和分析。

在本設計中，根據(jù)經驗，在掛載小于500g，最大運動速度在80mm/s以及工作運動行程320mm的情況下，考慮運動振動等因素，初步評估其機械運動精度在0.05mm以內。

二 結構分析與設計要求

由于我們所設計的是運動類部件，對結構的運動干涉分析和結構穩(wěn)定性分析等至關重要，同時還要考慮設計完成后達到的目標是什么。

對X軸3D打印主部件，部件功能結構的要求分析如下：

1  固定直線軸承，保證兩個直線軸承的平行度和固定穩(wěn)定性。

2  固定加熱頭，結構上要避免其高溫部分接觸打印件造成零件的損壞，保證長期使用的可靠性。

3  固定3個散熱風扇，并給散熱風扇專門設計通氣通道，保障氣流的流暢和散熱的冷卻效果。

4  固定傳動的皮帶，并實現(xiàn)“雙向固定”。即X軸運動方向通過機械結構實現(xiàn)快速切換的功能。

5  該部分運動到歸零位置的時候，能夠與限位開關匹配，實現(xiàn)歸零的功能。

6  電路板的固定，與該部分相關的5個電子部件（加熱棒、測溫電阻、主散熱風扇、模型散熱風扇）接在集成電路接口板上。

以上6點是與結構和電子選型配件相關的功能要求說明，在設計上滿足了以上功能的布局后，以下6點就是關鍵的設計優(yōu)化性指標:

1  高強度——保證相關零配件很好的固定在結構框架件上，工作時不會松動或者振動，影響工作質量。

2  輕量化——整體部件重量要盡可能的輕.，減少運動慣性，以此提高運動速度和保障運動精度。

3  緊湊性——整體的寬度要盡可能的窄，以增加運動的行程范圍，運動部件的緊湊設計對整體機械結構的尺寸起到了關鍵的作用。

4  一體化——用來固定相關選型零配件的設計件盡可能的一體化，提高結構強度，減少零件數(shù)量。

5  易裝配——按照標準的安裝方法，相關部件都能易于安裝，不會出現(xiàn)某些部分由于結構的緊湊導致裝配困難問題。

6  維護性——在單個相關配件出現(xiàn)問題的情況下，能夠以最少的拆卸步驟實現(xiàn)部件的更換。

以上6點結構分析和6點設計指標要求，是設計師必須考慮到的問題，這些問題是正向設計在進入制造實現(xiàn)階段前需要考慮的問題。

三 結合傳統(tǒng)制造方法做零件設計的問題

如果設計師使用一些傳統(tǒng)的加工制造方法，以傳統(tǒng)的制造設備實現(xiàn)零件生產，鈑金結構件和CNC金屬切削加工是實現(xiàn)該類設計的主要選擇。零件特點必然需要導致大量的螺絲緊固件的使用，來緊固結構形成一體的部件，這導致了諸多問題產生。

1  設計上考慮的加工因素多樣，設計難度大；

2  加工驗證時間周期長；

3  最后設計制造出來的部件重量大，運動慣性大，精度差；

4  結構不緊湊，占用空間大；

5  分體設計帶來的大量的緊固工作會導致工人裝配工作量和難度的增加，人力成本增加；

6  維護性差，單一部件更換需要耗費大量的人力時間；

以上是使用CNC和鈑金結構件制造的形式所產生的問題，而如果構件以塑料模具制造的方式設計，那么結構的輕量化，緊湊性，一體化就可以實現(xiàn)，但是設計師就需要掌握適合開模的結構設計技巧，加工模具和量產的時間周期更長，成本高昂。

從這里我們可以看出，以傳統(tǒng)制造思維來實現(xiàn)復雜集成性結構設計，需要花費大量時間，精力，資金成本，且性能受限。下面我們來看增材制造思維是如何來幫助正向設計，實現(xiàn)省時省力省資金的產品設計。

四  結合增材制造做零件設計的思維

在筆者看來，增材思維就是考慮以增材制造的方式實現(xiàn)產品設計、生產的思維模式。具體在零件設計時，則可以拆分成以下幾點，靈活的應用在具體零件設計的過程中。

1 功能優(yōu)先思維

3D打印可以實現(xiàn)任意的結構 ，所以零件復雜與否不重要，優(yōu)先考慮以下內容（可按順序建模實現(xiàn)）

2 最優(yōu)功能布局設計

對于結構設計而言，重要的一點是關鍵部件的相對空間位置問題：將其各種配件模型在數(shù)字化建模軟件里進行合理的布局。確定各種配件的相關空間尺寸，這需要大量的空間位置計算。對于多部件固定性零件設計而言，設計師需要“腦補”后續(xù)裝配時，可能因為本身布局原因就會產生組裝干涉，運動干涉，維護是否方便等問題。所以，關鍵部件的相對空間位置布局，是衡量結構設計師水平的關鍵因素之一。

3 強度設計——強度適應性設計原則

在確定布局的前提下，我們就可以來設計具體的連接性結構，這里的強度適應性設計原則

簡單解釋，就是“哪里需要強度，哪里設計厚一些”。在需要高強度的地方通過大壁厚設計增加強度，最后出來的一體化部件，就可以初步實現(xiàn)輕量化設計的目標。

對于輕量化設計要求高的零部件，可考慮采用拓撲優(yōu)化的方式，將大塊的連接性結構，通過拓撲優(yōu)化的軟件，直接優(yōu)化成最優(yōu)結構解，然后根據(jù)結果做參考建模的依據(jù)，進行二次優(yōu)化建模，得到的零件就可以符合強度設計的要求。

對于一般固定結構，沒有必要做拓撲優(yōu)化設計的情況下，可采用匹配強度的壁厚組合的的設計方法，

對于固定性結構設計而言，壁厚多少與強度成正比。基于此原理，我們可以結合具體使用材料，以不同方向，打印不同厚度得到不同強度值的標準參數(shù)，來設計相關位置的壁厚，保證該部分有足夠的強度，在筆者總結的“林3S原理”中，總結記錄了不同材料，不同壁厚，不同打印方向對強度影響的關鍵性參數(shù)，有需要的朋友可以直接聯(lián)系筆者交流學習。以“哪里不夠補哪里”為基本原則，將零件固定位置逐漸連接到一起，強度設計問題也迎刃而解。接下來就是通過圓角倒角的方式做好強度過渡的處理，形成一個壁厚設計合理，強度分布匹配功能要求的基礎零件。

1  分層思維

我們都知道，3D打印是分層累積堆積而成的。這樣的分層制造原理，也決定了其在強度分布上與層有著密不可分的關系。一個圓孔平躺著切片打印和垂直切片打印，其強度，精度等都會受到很大影響。對于懸空結構，和帶角度結構，還存在支撐的問題。這也是3D打印獨有的工藝性問題。在筆者總結的“林3S原理”中，總結記錄了典型機械結構的3D打印工藝性設計要點以及關鍵位置在做公差配合設計時，合理的公差值是多少。在滿足了前面的功能布局和強度設計的要求下，考慮3D打印分層制造的工藝特點，能夠讓設計出來的零件同實際制造出來的零件，尺寸和強度更符合預期的目標。

2  無支撐設計思維

如果把功能優(yōu)先思維和分層思維比作房子的基礎裝修，那么，無支撐設計思維則算是一個“精裝修”的過程。該步驟就是在滿足強度和精度的情況下，如何細微調整現(xiàn)有的結構設計，在滿足功能，強度，精度等要求的前提下，使得產生的支撐接近于0的設計。最為大家熟知的是“任何位置相對底面大于45度”的角度法則，其深入骨髓的靈活運用能夠讓結構產生的支撐最小，在筆者總結的“林3S原理”中，總結記錄了更多的典型機械功能結構的無支撐設計技巧和注意事項，以幫助設計師優(yōu)化結構的局部設計，實現(xiàn)設計最優(yōu)解。

在筆者設計的該X軸部件設計中，首先確定了相關配件的布局設計，壁厚的設計選擇了 2mm/3mm/5mm的3個強度梯度進行設計，結合固定位以“加法”的方式設計，完成了大部件一體化設計的目標。其次考慮分層方向和支撐生成的問題，對零件進行細節(jié)優(yōu)化

包括大量倒角圓角的運用，無支撐結構設計等。最后對相關設計功能，一一核對之前的功能說明和設計預估，待確定以后，完成了該零件原型的”閉環(huán)”設計。

通過打印驗證，該零件的相關尺寸，強度和精度均和預估相符合，一次性實現(xiàn)原型的功能開發(fā)。

通過對上文的闡述，這里對衡量設計師水平的關鍵能力做以下總結；

1  確定符合功能的配件選擇

2  根據(jù)功能對設計要點的詳細分析

3  關鍵部件的相對空間位置布局

4  合理的強度計算與設計

5  對制造工藝的充分理解和運用——制造思維

6  對局部設計逐一核對的閉環(huán)設計思維

寫到這里大家可以看出，像這樣的高度復雜的一體化設計部件，需要考慮的因素眾多，

需要積累大量的設計經驗，才能完成結合增材思維的正向設計。如果局部功能結構中，存在一些制造效果分析，自己沒有把握的地方，則可能需要單獨出來打印驗證，而不用整體全部打印，這樣可加快產品的迭代。

筆者在之前發(fā)表的《國內制造企業(yè)如何融入面向增材制造的設計？》文章中也提到了功能融合設計法的概念，其實也就是將積累的功能性結構設計通過設計上的加法，實現(xiàn)功能組合。本文則是從更為具體的實際設計層面，分析設計思路和需要考慮的問題點，也希望此文能對大家的產品設計有所幫助，結合提供的思考流程，順利的完成適合于增材制造的產品開發(fā)。

作者在3D打印行業(yè)從業(yè)多年，一直在3D打印技術方面以DfAM的設計思維做設計實踐運用，立志推廣3D打印技術的運用。歡迎添加個人微信交流學習。

本文為特約作者：林傳春 授權3D打印資源庫發(fā)布，版權歸原作者所有。文章系作者個人觀點，不代表D打印資源庫立場。如需轉載請聯(lián)系原作者，如有任何疑問，請聯(lián)系kefu@3dzyk.cn。

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