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下面的這張照片是我在一家推廣增材制造技術的組織看到的，是哪家組織不重要，因為很多營銷技術的公司都創建了我說的這類圖像。這類圖像可能是由一位年輕的工程師悠然自得地從3D打印機中抽出的一個復雜成品零件。

這張照片不一定是假的。然而，它會給人一種不真實的感覺。換言之，它給人一種增材制造是簡單的，可以輕松得到需要的零件，這正是與其他制造工藝的不同之處。

實際上，這正是“3D打印”一詞不成功的地方。這個詞暗示直接數字化制造是無縫的、一步到位，就像文件打印機一樣。坦白地講，真不是這樣。

圖1 增材制造中重要的工藝考慮因素包括：在增材生產期間零件的支撐及零件方向。這些選擇是相互關聯的，從CIMP-3D機構增材生產的帶有垂直翅片的“籠狀”零件就可以看出

然而，我這樣說，并不是在給增材制造前景抹黑。因為它提供的設計自由，加上其處理少量訂單時的效率、其提供的合并組裝機遇、節約材料和降低重量等好處，增材制造看似必定成為零件生產的一個健全的、得到認可的方案。但是，與其他制造方案一樣，增材制造有自己的零件和工藝需求。它有自己的工程考慮因素，甚至提供了大量失敗空間，尤其是將增材制造用于金屬零件的加工，其未來的學習道路還很長。

一家幫助完成該學習道路的組織為位于賓夕法尼亞州立大學的直接處理沉積實現創新材料加工中心，又稱為CIMP-3D。這所大學的學院與對增材制造感興趣的公司合作，探索直接金屬激光燒結(DMLS)、電子束增材制造和激光金屬沉積等工藝。CIMP-3D的價值在于可以引導公司研究變量，得到適用于組織自身特殊、專有持續生產的增材制造工藝，幫助公司更快地度過增材制造的試驗。

圖2 這是飛機上一個現有金屬托架的塑料模型。優化設計在近景中，可以采用增材工藝生產，能夠滿足托架的設計要求，而零件重量將減少88%。想要得到這種優化零件形狀，需要使用很多設計師都不熟悉的軟件工具

這些變量是什么?我最近有機會同該中心的機械與工業工程教授和副主管Timothy W. Simpson博士以及CIMP-3D研發工程師Corey Dickman探討了這個問題。增材工藝中的一些變量為特殊增材制造及其可調整參數，例如，使用DMLS機床可以根據不同工作和不同合金的需求，改變激光功率和光束直徑。然而，其他考慮因素可能是增材制造性質通用的。跟CNN加工輸入參數的影響一樣(如切削機選擇、進料速度及夾具的剛性)，增材制造也有影響其是否成功的輸入參數，而且這些輸入參數需要增材制造用戶學習很長一段時間，說明這些輸入有助于應用增材制造生成一個更現實的圖片。因此，增材制造的用戶需要學習這些因素：

●拓撲學

有人說增材制造不太適用于復雜的零件。實際上，它適用在數字層面上，開發一種零件意味著易于創建一種重量更輕的復雜結構。然而，更豐滿的現實是，實際上增材制造喜歡這種復雜性。定制完全與零件需要承受的載荷和需要執行的服務匹配的零件形狀，產生一種使用材料更少、需要支持更少的增材結構，而且在零件制造過程中產生殘余應力的可能性更小。

圖2給出了一個實例。在通用電氣贊助的競賽中，賓夕法尼亞州立大學的研究生Jessica Menold 提交的競賽作品是重新設計的飛機頭架。如果使用金屬生產她的設計，重量將比之前使用的輕88%，同時還能滿足該零件的設計要求。

然而，工程師如何尋求這類設計優化呢?也就是知道什么材料可以產生減法效果，以及什么結構最終符合該零件的負載路線?大部分設計工程師無需面對這些問題，因為他們工作中受到的制造行業的約束太多，以至于他們并不覺得受到了約束。換言之，設計師往往需要從一個結實的模塊或半網狀結構開始，然后加工材料，得到外部特征。詳盡的形狀不在他們的考慮范圍內，因為加工無法生產出來。摒除這個限制，產生的自由空間太大，又讓設計師感到無助，不知道選擇什么形狀。這正是增材制造需要不同的設計方法的原因。

圖3 支架是影響給定零件的循環時間和材料使用的一個重要考慮因素，此增材制造零部件的支撐結構占其生產時間的一半

●支持

使用虛假增材制造圖片的一個問題在于，從表面上看，“打印”零件是一種駕輕就熟的事情，這張圖片忽略了在建設期間需要的物理支持的數量。在金屬增材制造中，因為增加了新的添加劑層，支撐機構幫助轉走零件的熱量，還有助于在成型期間保持零件形狀。增材零件生產設計中的典型步驟是設計其支撐結構。

圖3給出了這些制成結構能夠有多廣泛的實例。在學生設計賽車競賽中，賓夕法尼亞州立大學本科生Vincent Maranan提交的作品是一個零部件，即使用增材制造生產車輪支柱(連接輪縠和制動鉗到懸臂上)。在這個零件上，需要支架保持弓狀特征、三角形頂點及大中心孔，而且這些特點占此零件構建時間的50%。

在構建完成后，如何拆除該支架?金屬零件的增材制造尚無自動執行此步的方式。因此可能有點奇怪，最先進的金屬加工技術往往得到最粗糙的結果。通過增材制造技術生產的最終使用生產零件上的支架往往需要使用人工工具拆除，包括錘子和鑿子。

●方向

上一個實例中的零件是否必須像鯊魚翅一樣豎立在空中?可能不是，可以將之放在側面。此布置需要的支撐材料可能更少一些，而且需要覆蓋的垂直高度更少，構建時間會短很多。但是在此方向，一些零件特征可能無法準確形成。以接近45°角的形式制造該零件，可能是一個有效的折中方式。在增材制造中，找到合適的零件方向是找到最有效工藝的重要方面之一。

圖4 零件方向影響的兩個圖示，它們是三家不同的增材制造供應商生產的，得到的零部件完全不同，因為每家供應商為零件選擇了不同的方向。右邊生產出專有特征，然而成功幾率不同，具體要看其相對機床移動刀片的方向

這是CAD模型自身不再能夠傳遞足夠多的定義零件信息的原因。CIMP-3D在近期的一次實驗中，發送相同的CAD模型給三家不同的增材制造服務供應商，實地觀察了此情況。賓夕法尼亞州立大學研究生Andrew Coward參與了汽輪機研究，設計了一種具有與渦輪機零部件有關特征的復雜測試零件，要求所有三家增材制造供應商在其DMLS機床上生產測試零件。這三家供應商彼此不了解，選擇的零件方向都不同，得到了三種不同的結果。實際上，Coward提交了四種零件，因為三家供應商中的一家嘗試以兩種方式完成此工作。得到的四個零件的某些細節與CAD模型相符，然而也有一些細節不符，且每個零件符合和不符合的特征都各不相同。

這項測試有點亂。設計的零件的內部和外部特征在很多方向上都不一樣，沒有一個DMLS結構完全符合要求。這項測試說明了什么?是在設計增材制造零件時必須考慮的問題，即便尺寸要求不一定有幫助。設計工程師必須優化比較重要的零件特征及可以自由發揮，略微偏離模型的特征。例如，穿過零件的每個模型孔可以被定義為圓形截面，因為設計師習慣打孔。Simpson博士指出，這是目前需要檢驗的一個基本設計假定，即孔是否真的需要是圓形的?DMLS機床上的再涂裝刀片可能影響零件的專有特征，也有可能不影響，具體要看此特征相對刀片的方向，如圖4所示。

●殘余應力

或者，增材制造零件不同于CAD模型可能不是因為其方向的影響，而是因為在生產期間積累在零件凝固劑中的殘余應力。

增材制造零件的冶金成型是復雜的。它不完全是金屬液體層被添加到零件中，然后固化。反之，給定層可能受到直接添加到其上面的另外一層的熱影響，然而，上面第二層及后續層的影響可能會小一些。之后，任何層的材料不斷加熱和冷卻、固化，最終逐步與零件剩余部分集成。加熱和冷卻影響材料微觀結構，在零件內部形成殘余應力。模擬此行為，預測這些應力的潛在變形是CIMP-3D增材制造研究中更加重要的領域之一。

圖5 殘余應力足以包裝一個3/4?in鋼板，其中一個解決方案是在板的相對兩側設置一個鏡像零件，從而平衡應力

對在典型增材制造機床外殼中生產的小零件來說，此影響可能并不顯著。然而，隨著結構尺寸變大，此影響會變得顯著。本機構從Sciaky采購的電子束增材制造機床可以生產長度達85?cm的零件。圖5為本機構在該等大型零部件中發現的殘余應力的極端實例。因為零件中積累的作用力，一個3/4?in(1?in=25.4?mm)的鋼板在成型后兩端彎曲3/4?in。其解決方案是在板的相對兩側設立相同零件的鏡子影像，平衡此作用力。

●粉末

金屬粉末很昂貴，因此在使用粉床機時，用戶需要一個回收和再利用生產后剩下的粉末的策略。然而，問題是循環結束時的粉末與開始時略微有些不同。少量顆粒更容易熔化，并聚集形成較大的顆粒，因此剩下的粉末更容易形成較大顆粒。根據應用的材料純度要求，可以將剩下的粉末與未使用的混合到一起。但是，即便如此，為保證零件質量，粉末最多可以循環多少次呢?任何旨在持續生產的增材制造工藝中，此問題的答案是工藝規范的一部分。對于CIMP-3D和其他增材制造組織來說，粉末再循環的影響和最佳規范是另一個活躍的研究領域。

●材料

最后一個工藝考慮因素可能是最重要的：制造零件使用的金屬。重新設計采用增材制造后，原來選擇加工零件使用的金屬可能并不合適。增材設計自由也延伸到材料選擇，因為一些很難加工的材料可以輕松用于增材制造中。

逆命題也是正確的。例如，一些鋁合金容易加工，然而卻很難使用基于激光的增材工藝加工。同時，加工起來很難的鈦合金是增材加工中最可靠且理解最深入的金屬。實際上，拓撲優化結構的理想材料可能是鈦，因為其獨特的強度-重量性質。而且，如果優化后清除設計中足夠多的材料，則新鈦零件可能比之前的實心零件更輕，即便之前用的鋁也是如此。

盡管我們很少考慮這個問題，在選擇零件材質時往往會考慮加工問題。難以加工的材料往往很難受到青睞。例如，鉻鎳鐵合金具有適用于一系列應用的性質，它的應用范圍應該比現在更廣。然而，就是因為加工困難，應用受到限制。但是，在近網狀增材工藝中，在加工期間清除的材料少很多，鉻鎳鐵合金可能會大展身手。