結(jié)合增材制造思維的正向設(shè)計案例分析

2020年5月25日 作者：林傳春

目前國內(nèi)普遍將3D打印應(yīng)用于產(chǎn)品的原型階段，產(chǎn)品設(shè)計并沒有根據(jù)3D打印的特點發(fā)生改變，而在應(yīng)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(shè)計” 、以及以“創(chuàng)成式設(shè)計”為代表的DfF(面向功能實現(xiàn))的全新設(shè)計，可以稱為“以增材思維為核心的先進設(shè)計”，是一種面向正向設(shè)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(shè)計的復(fù)雜性并不敏感，也就是說3D打印適合制造復(fù)雜形狀的產(chǎn)品，包括一體化結(jié)構(gòu)、仿生學(xué)設(shè)計、異形結(jié)構(gòu)、輕量化結(jié)構(gòu)、薄壁結(jié)構(gòu)等。

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

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

下面，筆者以某種笛卡爾XYZ坐標系運動類設(shè)備上的 X軸3D打印運動主部件的設(shè)計來向大家說明，正向設(shè)計是如何與增材思維組合，實現(xiàn)一個零部件的設(shè)計。本文將設(shè)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(jié)構(gòu)分析與設(shè)計要求

三  結(jié)合傳統(tǒng)制造方法做零件設(shè)計的問題

四  結(jié)合增材制造做零件設(shè)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(jié)構(gòu)設(shè)計中， 快速確定符合功能的配件選擇，需要設(shè)計師常年經(jīng)驗積累。所以，配件選型是衡量設(shè)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(shè)計與選型，不屬于本文核心闡述內(nèi)容，在這里我們重點講解機械配件選型。

A 結(jié)構(gòu)功能總體分析

該部分屬于典型的笛卡爾坐標類機械設(shè)備設(shè)計中X軸運動結(jié)構(gòu)，由于該類型的機械設(shè)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(jié)構(gòu)的精度提升都有巨大的意義。

B 配件選型

在該方案設(shè)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(shè)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(jié)構(gòu)整體框架尺寸也就越小。

D 性能評估與“閉環(huán)”設(shè)計

設(shè)計師在設(shè)計初期對實現(xiàn)性能進行預(yù)估，或者根據(jù)以往經(jīng)驗進行推算預(yù)估，有助于對后續(xù)設(shè)計的步驟一一對照，確認是否符合最初的設(shè)計要求，實現(xiàn)“閉環(huán)”設(shè)計。養(yǎng)成每個局部設(shè)計符合預(yù)估要求的“閉環(huán)”思考習(xí)慣，避免因局部設(shè)計缺陷影響整體設(shè)計性能的問題發(fā)生，導(dǎo)致不必要的二次迭代，這是很多設(shè)計師產(chǎn)生不必要的迭代設(shè)計的根本原因。有時候，在產(chǎn)品設(shè)計前對相關(guān)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(shè)計前規(guī)定好的功能參數(shù)來選擇和分析。

在本設(shè)計中，根據(jù)經(jīng)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(nèi)。

二 結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計要求

由于我們所設(shè)計的是運動類部件，對結(jié)構(gòu)的運動干涉分析和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析等至關(guān)重要，同時還要考慮設(shè)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(fēng)扇，并給散熱風(fēng)扇專門設(shè)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(jié)構(gòu)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(guān)匹配，實現(xiàn)歸零的功能。

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

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

1  高強度——保證相關(guān)零配件很好的固定在結(jié)構(gòu)框架件上，工作時不會松動或者振動，影響工作質(zhì)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(shè)計對整體機械結(jié)構(gòu)的尺寸起到了關(guān)鍵的作用。

4  一體化——用來固定相關(guān)選型零配件的設(shè)計件盡可能的一體化，提高結(jié)構(gòu)強度，減少零件數(shù)量。

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

6  維護性——在單個相關(guān)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(jié)構(gòu)分析和6點設(shè)計指標要求，是設(shè)計師必須考慮到的問題，這些問題是正向設(shè)計在進入制造實現(xiàn)階段前需要考慮的問題。

三 結(jié)合傳統(tǒng)制造方法做零件設(shè)計的問題

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

1  設(shè)計上考慮的加工因素多樣，設(shè)計難度大；

2  加工驗證時間周期長；

3  最后設(shè)計制造出來的部件重量大，運動慣性大，精度差；

4  結(jié)構(gòu)不緊湊，占用空間大；

5  分體設(shè)計帶來的大量的緊固工作會導(dǎo)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(jié)構(gòu)件制造的形式所產(chǎn)生的問題，而如果構(gòu)件以塑料模具制造的方式設(shè)計，那么結(jié)構(gòu)的輕量化，緊湊性，一體化就可以實現(xiàn)，但是設(shè)計師就需要掌握適合開模的結(jié)構(gòu)設(shè)計技巧，加工模具和量產(chǎn)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(fù)雜集成性結(jié)構(gòu)設(shè)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(shè)計，實現(xiàn)省時省力省資金的產(chǎn)品設(shè)計。

四  結(jié)合增材制造做零件設(shè)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(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)的思維模式。具體在零件設(shè)計時，則可以拆分成以下幾點，靈活的應(yīng)用在具體零件設(shè)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(jié)構(gòu) ，所以零件復(fù)雜與否不重要，優(yōu)先考慮以下內(nèi)容（可按順序建模實現(xiàn)）

2 最優(yōu)功能布局設(shè)計

對于結(jié)構(gòu)設(shè)計而言，重要的一點是關(guān)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(guān)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(shè)計而言，設(shè)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(chǎn)生組裝干涉，運動干涉，維護是否方便等問題。所以，關(guān)鍵部件的相對空間位置布局，是衡量結(jié)構(gòu)設(shè)計師水平的關(guān)鍵因素之一。

3 強度設(shè)計——強度適應(yīng)性設(shè)計原則

在確定布局的前提下，我們就可以來設(shè)計具體的連接性結(jié)構(gòu)，這里的強度適應(yīng)性設(shè)計原則

簡單解釋，就是“哪里需要強度，哪里設(shè)計厚一些”。在需要高強度的地方通過大壁厚設(shè)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(shè)計的目標。

對于輕量化設(shè)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(jié)構(gòu)，通過拓撲優(yōu)化的軟件，直接優(yōu)化成最優(yōu)結(jié)構(gòu)解，然后根據(jù)結(jié)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(shè)計的要求。

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

對于固定性結(jié)構(gòu)設(shè)計而言，壁厚多少與強度成正比?；诖嗽?，我們可以結(jié)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(shè)計相關(guān)位置的壁厚，保證該部分有足夠的強度，在筆者總結(jié)的“林3S原理”中，總結(jié)記錄了不同材料，不同壁厚，不同打印方向?qū)姸扔绊懙年P(guān)鍵性參數(shù)，有需要的朋友可以直接聯(lián)系筆者交流學(xué)習(xí)。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(shè)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(shè)計合理，強度分布匹配功能要求的基礎(chǔ)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(guān)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(jié)構(gòu)，和帶角度結(jié)構(gòu)，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(jié)的“林3S原理”中，總結(jié)記錄了典型機械結(jié)構(gòu)的3D打印工藝性設(shè)計要點以及關(guān)鍵位置在做公差配合設(shè)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(shè)計的要求下，考慮3D打印分層制造的工藝特點，能夠讓設(shè)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(yù)期的目標。

2  無支撐設(shè)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(chǔ)裝修，那么，無支撐設(shè)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(diào)整現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)設(shè)計，在滿足功能，強度，精度等要求的前提下，使得產(chǎn)生的支撐接近于0的設(shè)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(jié)構(gòu)產(chǎn)生的支撐最小，在筆者總結(jié)的“林3S原理”中，總結(jié)記錄了更多的典型機械功能結(jié)構(gòu)的無支撐設(shè)計技巧和注意事項，以幫助設(shè)計師優(yōu)化結(jié)構(gòu)的局部設(shè)計，實現(xiàn)設(shè)計最優(yōu)解。

在筆者設(shè)計的該X軸部件設(shè)計中，首先確定了相關(guān)配件的布局設(shè)計，壁厚的設(shè)計選擇了 2mm/3mm/5mm的3個強度梯度進行設(shè)計，結(jié)合固定位以“加法”的方式設(shè)計，完成了大部件一體化設(shè)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(jié)構(gòu)設(shè)計等。最后對相關(guān)設(shè)計功能，一一核對之前的功能說明和設(shè)計預(yù)估，待確定以后，完成了該零件原型的”閉環(huán)”設(shè)計。

通過打印驗證，該零件的相關(guān)尺寸，強度和精度均和預(yù)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(shè)計師水平的關(guān)鍵能力做以下總結(jié)；

1  確定符合功能的配件選擇

2  根據(jù)功能對設(shè)計要點的詳細分析

3  關(guān)鍵部件的相對空間位置布局

4  合理的強度計算與設(shè)計

5  對制造工藝的充分理解和運用——制造思維

6  對局部設(shè)計逐一核對的閉環(huán)設(shè)計思維

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

需要積累大量的設(shè)計經(jīng)驗，才能完成結(jié)合增材思維的正向設(shè)計。如果局部功能結(jié)構(gòu)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(chǎn)品的迭代。

筆者在之前發(fā)表的《國內(nèi)制造企業(yè)如何融入面向增材制造的設(shè)計？》文章中也提到了功能融合設(shè)計法的概念，其實也就是將積累的功能性結(jié)構(gòu)設(shè)計通過設(shè)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(shè)計層面，分析設(shè)計思路和需要考慮的問題點，也希望此文能對大家的產(chǎn)品設(shè)計有所幫助，結(jié)合提供的思考流程，順利的完成適合于增材制造的產(chǎn)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(shù)方面以DfAM的設(shè)計思維做設(shè)計實踐運用，立志推廣3D打印技術(shù)的運用。歡迎添加個人微信交流學(xué)習(xí)。

本文為特約作者：林傳春 授權(quán)3D打印資源庫發(fā)布，版權(quán)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(zhuǎn)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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結(jié)合增材制造思維的正向設(shè)計案例分析

2020年5月25日 作者：林傳春

目前國內(nèi)普遍將3D打印應(yīng)用于產(chǎn)品的原型階段，產(chǎn)品設(shè)計并沒有根據(jù)3D打印的特點發(fā)生改變，而在應(yīng)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(shè)計” 、以及以“創(chuàng)成式設(shè)計”為代表的DfF(面向功能實現(xiàn))的全新設(shè)計，可以稱為“以增材思維為核心的先進設(shè)計”，是一種面向正向設(shè)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(shè)計的復(fù)雜性并不敏感，也就是說3D打印適合制造復(fù)雜形狀的產(chǎn)品，包括一體化結(jié)構(gòu)、仿生學(xué)設(shè)計、異形結(jié)構(gòu)、輕量化結(jié)構(gòu)、薄壁結(jié)構(gòu)等。

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

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

下面，筆者以某種笛卡爾XYZ坐標系運動類設(shè)備上的 X軸3D打印運動主部件的設(shè)計來向大家說明，正向設(shè)計是如何與增材思維組合，實現(xiàn)一個零部件的設(shè)計。本文將設(shè)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(jié)構(gòu)分析與設(shè)計要求

三  結(jié)合傳統(tǒng)制造方法做零件設(shè)計的問題

四  結(jié)合增材制造做零件設(shè)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(jié)構(gòu)設(shè)計中， 快速確定符合功能的配件選擇，需要設(shè)計師常年經(jīng)驗積累。所以，配件選型是衡量設(shè)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(shè)計與選型，不屬于本文核心闡述內(nèi)容，在這里我們重點講解機械配件選型。

A 結(jié)構(gòu)功能總體分析

該部分屬于典型的笛卡爾坐標類機械設(shè)備設(shè)計中X軸運動結(jié)構(gòu)，由于該類型的機械設(shè)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(jié)構(gòu)的精度提升都有巨大的意義。

B 配件選型

在該方案設(shè)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(shè)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(jié)構(gòu)整體框架尺寸也就越小。

D 性能評估與“閉環(huán)”設(shè)計

設(shè)計師在設(shè)計初期對實現(xiàn)性能進行預(yù)估，或者根據(jù)以往經(jīng)驗進行推算預(yù)估，有助于對后續(xù)設(shè)計的步驟一一對照，確認是否符合最初的設(shè)計要求，實現(xiàn)“閉環(huán)”設(shè)計。養(yǎng)成每個局部設(shè)計符合預(yù)估要求的“閉環(huán)”思考習(xí)慣，避免因局部設(shè)計缺陷影響整體設(shè)計性能的問題發(fā)生，導(dǎo)致不必要的二次迭代，這是很多設(shè)計師產(chǎn)生不必要的迭代設(shè)計的根本原因。有時候，在產(chǎn)品設(shè)計前對相關(guān)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(shè)計前規(guī)定好的功能參數(shù)來選擇和分析。

在本設(shè)計中，根據(jù)經(jīng)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(nèi)。

二 結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計要求

由于我們所設(shè)計的是運動類部件，對結(jié)構(gòu)的運動干涉分析和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析等至關(guān)重要，同時還要考慮設(shè)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(fēng)扇，并給散熱風(fēng)扇專門設(shè)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(jié)構(gòu)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(guān)匹配，實現(xiàn)歸零的功能。

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

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

1  高強度——保證相關(guān)零配件很好的固定在結(jié)構(gòu)框架件上，工作時不會松動或者振動，影響工作質(zhì)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(shè)計對整體機械結(jié)構(gòu)的尺寸起到了關(guān)鍵的作用。

4  一體化——用來固定相關(guān)選型零配件的設(shè)計件盡可能的一體化，提高結(jié)構(gòu)強度，減少零件數(shù)量。

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

6  維護性——在單個相關(guān)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(jié)構(gòu)分析和6點設(shè)計指標要求，是設(shè)計師必須考慮到的問題，這些問題是正向設(shè)計在進入制造實現(xiàn)階段前需要考慮的問題。

三 結(jié)合傳統(tǒng)制造方法做零件設(shè)計的問題

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

1  設(shè)計上考慮的加工因素多樣，設(shè)計難度大；

2  加工驗證時間周期長；

3  最后設(shè)計制造出來的部件重量大，運動慣性大，精度差；

4  結(jié)構(gòu)不緊湊，占用空間大；

5  分體設(shè)計帶來的大量的緊固工作會導(dǎo)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(jié)構(gòu)件制造的形式所產(chǎn)生的問題，而如果構(gòu)件以塑料模具制造的方式設(shè)計，那么結(jié)構(gòu)的輕量化，緊湊性，一體化就可以實現(xiàn)，但是設(shè)計師就需要掌握適合開模的結(jié)構(gòu)設(shè)計技巧，加工模具和量產(chǎn)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(fù)雜集成性結(jié)構(gòu)設(shè)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(shè)計，實現(xiàn)省時省力省資金的產(chǎn)品設(shè)計。

四  結(jié)合增材制造做零件設(shè)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(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)的思維模式。具體在零件設(shè)計時，則可以拆分成以下幾點，靈活的應(yīng)用在具體零件設(shè)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(jié)構(gòu) ，所以零件復(fù)雜與否不重要，優(yōu)先考慮以下內(nèi)容（可按順序建模實現(xiàn)）

2 最優(yōu)功能布局設(shè)計

對于結(jié)構(gòu)設(shè)計而言，重要的一點是關(guān)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(guān)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(shè)計而言，設(shè)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(chǎn)生組裝干涉，運動干涉，維護是否方便等問題。所以，關(guān)鍵部件的相對空間位置布局，是衡量結(jié)構(gòu)設(shè)計師水平的關(guān)鍵因素之一。

3 強度設(shè)計——強度適應(yīng)性設(shè)計原則

在確定布局的前提下，我們就可以來設(shè)計具體的連接性結(jié)構(gòu)，這里的強度適應(yīng)性設(shè)計原則

簡單解釋，就是“哪里需要強度，哪里設(shè)計厚一些”。在需要高強度的地方通過大壁厚設(shè)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(shè)計的目標。

對于輕量化設(shè)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(jié)構(gòu)，通過拓撲優(yōu)化的軟件，直接優(yōu)化成最優(yōu)結(jié)構(gòu)解，然后根據(jù)結(jié)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(shè)計的要求。

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

對于固定性結(jié)構(gòu)設(shè)計而言，壁厚多少與強度成正比?；诖嗽?，我們可以結(jié)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(shè)計相關(guān)位置的壁厚，保證該部分有足夠的強度，在筆者總結(jié)的“林3S原理”中，總結(jié)記錄了不同材料，不同壁厚，不同打印方向?qū)姸扔绊懙年P(guān)鍵性參數(shù)，有需要的朋友可以直接聯(lián)系筆者交流學(xué)習(xí)。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(shè)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(shè)計合理，強度分布匹配功能要求的基礎(chǔ)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(guān)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(jié)構(gòu)，和帶角度結(jié)構(gòu)，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(jié)的“林3S原理”中，總結(jié)記錄了典型機械結(jié)構(gòu)的3D打印工藝性設(shè)計要點以及關(guān)鍵位置在做公差配合設(shè)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(shè)計的要求下，考慮3D打印分層制造的工藝特點，能夠讓設(shè)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(yù)期的目標。

2  無支撐設(shè)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(chǔ)裝修，那么，無支撐設(shè)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(diào)整現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)設(shè)計，在滿足功能，強度，精度等要求的前提下，使得產(chǎn)生的支撐接近于0的設(shè)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(jié)構(gòu)產(chǎn)生的支撐最小，在筆者總結(jié)的“林3S原理”中，總結(jié)記錄了更多的典型機械功能結(jié)構(gòu)的無支撐設(shè)計技巧和注意事項，以幫助設(shè)計師優(yōu)化結(jié)構(gòu)的局部設(shè)計，實現(xiàn)設(shè)計最優(yōu)解。

在筆者設(shè)計的該X軸部件設(shè)計中，首先確定了相關(guān)配件的布局設(shè)計，壁厚的設(shè)計選擇了 2mm/3mm/5mm的3個強度梯度進行設(shè)計，結(jié)合固定位以“加法”的方式設(shè)計，完成了大部件一體化設(shè)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(jié)構(gòu)設(shè)計等。最后對相關(guān)設(shè)計功能，一一核對之前的功能說明和設(shè)計預(yù)估，待確定以后，完成了該零件原型的”閉環(huán)”設(shè)計。

通過打印驗證，該零件的相關(guān)尺寸，強度和精度均和預(yù)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(shè)計師水平的關(guān)鍵能力做以下總結(jié)；

1  確定符合功能的配件選擇

2  根據(jù)功能對設(shè)計要點的詳細分析

3  關(guān)鍵部件的相對空間位置布局

4  合理的強度計算與設(shè)計

5  對制造工藝的充分理解和運用——制造思維

6  對局部設(shè)計逐一核對的閉環(huán)設(shè)計思維

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

需要積累大量的設(shè)計經(jīng)驗，才能完成結(jié)合增材思維的正向設(shè)計。如果局部功能結(jié)構(gòu)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(chǎn)品的迭代。

筆者在之前發(fā)表的《國內(nèi)制造企業(yè)如何融入面向增材制造的設(shè)計？》文章中也提到了功能融合設(shè)計法的概念，其實也就是將積累的功能性結(jié)構(gòu)設(shè)計通過設(shè)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(shè)計層面，分析設(shè)計思路和需要考慮的問題點，也希望此文能對大家的產(chǎn)品設(shè)計有所幫助，結(jié)合提供的思考流程，順利的完成適合于增材制造的產(chǎn)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(shù)方面以DfAM的設(shè)計思維做設(shè)計實踐運用，立志推廣3D打印技術(shù)的運用。歡迎添加個人微信交流學(xué)習(xí)。

本文為特約作者：林傳春 授權(quán)3D打印資源庫發(fā)布，版權(quán)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(zhuǎn)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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