俗稱3D打印，融合了計算機輔助設計、材料加工與成型技術、以數(shù)字模型文件為基礎，通過軟件與數(shù)控系統(tǒng)將專用的金屬材料、非金屬材料以及醫(yī)用生物材料，按照擠壓、燒結、熔融、光固化、噴射等方式逐層堆積，制造出實體物品的制造技術。相對于傳統(tǒng)的、對原材料去除－切削、組裝的加工模式不同，是一種“自下而上”通過材料累加的制造方法，從無到有。這使得過去受到傳統(tǒng)制造方式的約束，而無法實現(xiàn)的復雜結構件制造變?yōu)榭赡堋?/span>
近二十年來，AM技術取得了快速的發(fā)展，“快速原型制造（Rapid Prototyping）”、“三維打印(3D Printing )”、“實體自由制造(Solid Free-form Fabrication) ”之類各異的叫法分別從不同側面表達了這一技術的特點。
增材制造技術是指基于離散-堆積原理，由零件三維數(shù)據驅動直接制造零件的科學技術體系。基于不同的分類原則和理解方式，增材制造技術還有快速原型、快速成形、快速制造、3D打印等多種稱謂，其內涵仍在不斷深化，外延也不斷擴展，這里所說的“增材制造”與“快速成形”、“快速制造”意義相同。
AM技術不需要傳統(tǒng)的刀具和夾具以及多道加工工序，在一臺設備上可快速精密地制造出任意復雜形狀的零件，從而實現(xiàn)了零件“自由制造”，解決了許多復雜結構零件的成形，并大大減少了加工工序，縮短了加工周期。而且產品結構越復雜，其制造速度的作用就越顯著。
一是材料單元的控制技術。即如何控制材料單元在堆積過程中的物理與化學變化是一個難點，例如金屬直接成型中，激光熔化的微小熔池的尺寸和外界氣氛控制直接影響制造精度和制件性能。
二是設備的再涂層技術。增材制造的自動化涂層是材料累加的必要工序，再涂層的工藝方法直接決定了零件在累加方向的精度和質量。分層厚度向0.01mm發(fā)展，控制更小的層厚及其穩(wěn)定性是提高制件精度和降低表面粗糙度的關鍵。
三是高效制造技術。增材制造在向大尺寸構件制造技術發(fā)展，例如金屬激光直接制造飛機上的鈦合金框睴結構件，框睴結構件長度可達6m，制作時間過長，如何實現(xiàn)多激光束同步制造，提高制造效率，保證同步增材組織之間的一致性和制造結合區(qū)域質量是發(fā)展的難點。
此外，為提高效率，增材制造與傳統(tǒng)切削制造結合，發(fā)展材料累加制造與材料去除制造復合制造技術方法也是發(fā)展的方向和關鍵技術。
金屬增材制造有使用金屬粉末和熔絲兩種工藝，包括利用金屬粉末在激光等能量源作用下快速熔化與凝固進行塑形的粉末床熔合法（PBF）；金屬粉末和熔絲在能量源作用下形成熔池，逐層沉積進行制造的定向能量沉積法（DED）。還有其他金屬增材制造方法，如使用電弧、激光和電子束等熱源，采用不銹鋼、工具鋼、Ni基超合金、Co基超合金、Ti合金、Al合金和Cu合金等多種材料。另外，還有不使用熱源的制造方法，如用噴墨方式涂敷黏結劑的黏結劑噴射（BJ）成型技術。
選擇性激光燒結（SLS：Selective Laser Sintering）工藝，以預置于工作平臺上的粉末為原料，計算機根據模型切片控制激光束的二維掃描軌跡，有選擇地燒結固體粉末材料以形成零件的一個層面。在燒結之前，整個工作臺通常被加熱至稍低于粉末熔化溫度，以減少熱變形，并利于與前一層面的結合。完成一層燒結后，工作平面下降一個層厚， 鋪粉系統(tǒng)鋪設新粉層，激光束掃描燒結新的一層。如此循環(huán)，層層疊加最終制造出三維零件。由于燒結后仍然是密度較低的多孔結構，未燒結的粉末能夠對已燒結結構形成支撐，因此SLS具有自支撐性能，可制造任意復雜的形體。
適用于SLS工藝的材料可以是高分子材料，陶瓷或金屬粉末。其中，陶瓷與金屬材料的應用更為廣泛。陶瓷粉末在進行SLS工藝時要在粉末中加入粘結劑，燒結成型后再通過后續(xù)熱處理去除粘結劑。金屬材料可以直接采用SLS工藝燒結，但成型件致密度低、表面粗糙度大，需要后續(xù)采取熱等靜壓處理提高致密度。針對小部分高熔點金屬，或為了提高成型效率與成型致密度，會采取將目標金屬與有機粘結劑或其它低熔點金屬混合的方法，通過熔化有機粘結劑或低熔點合金實現(xiàn)快速成型，但這種工藝路線會造成后續(xù)熱處理工序多（脫脂、高溫焙燒或液相燒結）、零件尺寸收縮大、產品力學性能降低等問題。隨著高功率激光器的發(fā)展，激光能束已可以熔化大部分的金屬材料，因此在金屬應用方向上，SLS已越來越多的被SLM（選擇性激光熔融）所取代。
選擇性激光熔融（SLM：Selective Laser Melting）的工藝過程與SLS幾乎完全一致。所不同的是金屬粉末在高能量密度激光作用下發(fā)生熔化而不是固態(tài)燒結，成型件可以直接達到99%以上的致密度；同時由于激光掃描速度快，微小尺寸的熔池帶來極快的冷卻凝固速度，得到均勻細小的金相組織，大大的提高了材料力學性能；SLM采用53 μm以下粒徑的粉末，單層粉末厚度控制在20-100 μm，可實現(xiàn)精密成型，成型件表面質量好；整個工作腔被密閉于惰性氣體環(huán)境中，避免金屬材料在高溫下氧化，可以處理鈦合金等活躍金屬；通過支撐結構的設計，可以打印各種復雜形狀產品，包括帶有懸空部位的復雜曲面，含有內部流道的結構，鏤空復雜形狀等。
電子束熔化成型即EBM（Electron Beam Melting），EBM的工藝過程與SLM類似，但是采用高能電子束作為能量源。在真空環(huán)境中，高能電子束選擇性地熔化金屬粉末層，層層堆積直至形成整個實體金屬零件。每個粉末層掃描分為預熱和熔化兩個階段，在預熱階段，通過使用高掃描速度的散焦電子束多次預熱粉末層（ 預熱溫度高達0.4~0.6 Tm）；熔化階段，使用低掃描速度的聚焦電子束。相比較SLM，EBM的能量利用率更高，很多對激光吸收率低的材料，可以采用EBM工藝成型；同時，EBM特殊的粉末預熱方式與很高的預熱溫度，進一步擴大了可處理材料范圍，使用EBM成型易裂的金屬間化合物TiAl就是一個成功的應用。EBM工藝可以采用較大粒徑的粉末材料，單層厚度更大，成型效率比SLM要高。但EBM設備需要真空系統(tǒng)，成本昂貴，也限制了打印零件的尺寸；另外在成形過程中會產生很強的X射線，因此需要對工作環(huán)境與人員采取特別的保護措施。
激光金屬直接沉積技術，即DLMD（Direct Laser metal Deposition）的工作原理同SLM技術類似，同樣是采用高能激光束，逐層熔融金屬粉末，最終成型三維零件。區(qū)別是在DLMD過程中，粉末不是預置在工作平臺上，而是通過送粉機構與噴嘴，在激光掃描金屬基體時，被實時送入基體表面的熔池中，如下圖所示。沒有了粉末床的限制，DLMD技術對成型件的尺寸理論上沒有任何限制，因此很適合用來成型大型的金屬結構件。受限于粉末的匯聚尺寸（一般粉斑直徑在1 mm以上），DLMD的成型精度要低于SLM，但是成型效率要高很多。
除了三維成型，DMLD的另一大應用是在各種金屬零件的表面熔覆增強涂層。2017年Fraunhofer開發(fā)的超高速激光熔覆工藝中，粉末被送入聚焦的激光束中而不是基體表面的熔池中，粉末在激光束中被熔化，然后以熔融狀態(tài)落到基板上冷卻凝固。這一小小的改變產生了巨大的不同，激光的掃描速度對粉末熔化的影響變小，而粉末在激光束中的飛行時間成為了重要影響因素，只要保證粉末充分熔化，激光的掃描速度可以提高到傳統(tǒng)熔覆的100倍以上，這極大的提高了熔覆效率，降低了生產成本，目前已成為了有希望取代電鍍的熔覆技術。
電弧送絲增材制造技術 ，即WAAM （Wire and Arc Additive Manufacturing）技術采用焊接電弧作為熱源將金屬絲材熔化，按設定成形路徑在基板上堆積每一層片，層層堆敷直至成形金屬件。與上述采用粉末原料的多種增材制造技術相比，WAAM的材料利用率更高，成型效率高，設備成本低，對成型件的尺寸基本無限制，雖然成形精度稍差，成型件微觀組織粗大，但仍是與激光增材制造方法優(yōu)勢互補的3D增材成形技術。
粘結成型（Binder Jetting）是另一種基于粉末床的3D增材制造技術。不同之處在于，它不是通過激光熔融的方式粘結粉末，而是使用噴墨打印頭將粘合劑噴到粉末里，從而將一層粉末在選擇的區(qū)域內粘合，每一層粉末又會同之前的粉層通過粘合劑的滲透結合為一體，如此層層疊加制造出三維結構的物體。粘結成型可以用于高分子材料、金屬、陶瓷材料的制造，當用于金屬和陶瓷材料時，粘結成型的原型件需要通過高溫燒結將粘合劑去除并實現(xiàn)粉末顆粒之間的冶金結合，才能得到有一定密度與強度的成品。粘結成型制作的金屬件力學性能較差，但是成型效率非常高，適合對力學性能要求不高的應用場合。
金屬增材制造是最前沿和最有潛力的增材制造技術，是先進制造技術的重要發(fā)展方向。金屬增材制造技術是以高能束流（激光束/電子束/電弧等）作為熱源，通過熔化粉材或絲材實現(xiàn)金屬構件逐層堆積成形。根據所采用能量源和成形材料的不同，典型的金屬增材制造主要包括激光選區(qū)熔化（Selective Laser Melting, SLM）、電子束選區(qū)熔化（Electron Beam Melting, EBM）、激光近凈成形技術（Laser Engineered Net Shaping, LENS）、電子束熔絲沉積成形（Electron Beam Freeform Fabrication, EBFF）和電弧增材制造（Wire and arc additive manufacturing, WAAM）。
表1：目前較成熟的典型金屬增材制造的技術原理和技術特點等的對比
同步絲材送進技術采用電子束或電?。–MT、MIG、TIG等）等作為熱源，將金屬絲材加熱熔化，連續(xù)堆積形成沉積層，最終形成“近形”制件。
沉積層厚度為毫米量級，具有成形效率高，制造成本低等優(yōu)點，目前該技術主要用于制造大型零件毛坯，隨著技術的發(fā)展，通過增減材一體化復合，可能將為大型復雜構件的低成本制造提供一種替代方案。
電子束選區(qū)熔化（EBM）的優(yōu)點在于其能量密度高，熱影響區(qū)小，變形小，生產率高等，但須在真空環(huán)境中進行，需要一整套專用設備和真空系統(tǒng)，價格較貴，生產應用具有一定局限性，但是電子束能力密度高，掃描速度快，束斑直徑大，成形精度不及激光選區(qū)熔化技術，隨著電子腔技術的發(fā)展，EBM技術將會得到快速的發(fā)展。激光成形最重要特點是熱量集中，加熱快、冷卻快、熱影響區(qū)小，進而影響金屬相形成的均勻度。
金屬激光近凈成形（LENS）采用的激光功率比較大（2-10 kW）、光斑直徑大（1-10 mm）、粉末沉積效率高(最大1-3 kg/小時)，但是成形精度低（毫米級別），其技術特點適合應用于大型構件毛坯件的加工成形，隨著增減材一體化技術的發(fā)展，LENS技術的應用將會進一步得到拓展。
金屬選區(qū)激光熔化（SLM）成形技術是目前金屬增材制造中發(fā)展最成熟、應用最廣泛的技術，采用激光功率較低（200-1000W）、激光能量密度高（106-8W/cm2）、光斑直徑?。?0-200μm）、粉末沉積效率低（5-30 cm3/h），但是制造精度很高（20μm），最小壁厚可以達到100μm，構件性能可達到同成分鍛件水平，精度遠高于精鑄工藝，零部件致密度近 100%。目前受到SLM設備成形尺寸的限制，SLM主要用于制造中小型復雜精密構件，但隨著多振鏡和增減才一體化技術的發(fā)展，SLM的應用領域和成形件尺寸都將得到進一步的發(fā)展，短期內被其他技術取代的可能性不大。如圖1所示，增材制造的成形質量和成形效率之間存在著矛盾，針對不同的應用領域，應綜合評估權衡成形質量、效率和成本之間的關系，選擇性價比最佳的3D打印該工藝。
3D打印應用的領域越來越寬廣，從民用的消費品、文化創(chuàng)意產品、建筑的設計到航空航天的結構，這方面國內很多研究單位做了大量的工作，已經用在飛機結構件的承載件，例如C919的很多零件上。現(xiàn)在中國民用飛機也有自己的目標，上海商發(fā)準備80%發(fā)動機的零件都用3D打印來支持研發(fā)，GE公司也已經有三分之一的飛機發(fā)動機零件用3D打印進行生產，并且已完成了30000個燃油噴嘴的SLM成形和應用驗證。未來各種增材制造技術將得到進一步的快速發(fā)展，效率更高成本更低的增材制造工藝也可能會被不斷提出，各種增材制造技術將同臺競技，不斷拓展自己的應用領域。
圖2：結構復雜對增材制造與傳統(tǒng)制造零件成本的影響
圖2表示構件的復雜程度對制造成本的影響，對于傳統(tǒng)的機械制造（如車銑刨磨鉆），零件的制造成本隨復雜程度的提升指數(shù)級的增長，且與制造的批量有關系，批量小于3000件時，成本非常高。而零件的復雜程度對增材制造的成本影響很小，增材制造過程幾乎不受零件復雜程度的影響，其成本主要決定于制造改零件所需要的時間。
因此對于單件小批量生產和具有較高幾何復雜性的零件，增材制造具有顯著的競爭優(yōu)勢。傳統(tǒng)的零件的制造受到零件本身復雜性的限制，往往在設計過程中并未完全實現(xiàn)功能優(yōu)先的設計，結構上有很多冗余，浪費材料，增材制造可以通過結構拓撲優(yōu)化設計，極大的提升其性能，實現(xiàn)輕量化、高強度。增材制造可以將不同成分和顏色的不同材質材料按需分布在所需要的位置，獲得理論設計最佳和功能優(yōu)先的一體化設計和制造，真正意義上實現(xiàn)“控材控形控性控色”。
金屬增材制造技術的六大應用場景
金屬增材制造技術在制造行業(yè)具有更廣闊的應用舞臺，是增材制造領域對制造業(yè)來說最有應用價值的先進制造技術。主要體現(xiàn)在以下幾個方面：
在制造領域，有些零部件形狀復雜、制備周期長，應用傳統(tǒng)鑄造鍛造工藝生產不出來或損耗較大。而金屬增材制造技術則可以快速制造出滿足要求的零部件，并具有加工周期短、制造成本低、無需工裝和模具等優(yōu)勢。
一個典型的應用就是模具行業(yè)隨形冷卻金屬模具的制造。金屬模具冷卻系統(tǒng)是設計模具工程之一，傳統(tǒng)的模具冷卻系統(tǒng)是以直線的水路設計為主，制作較簡易，但需要的散熱時間較長，直接影響了脫模時間、制品質量、制品外觀等。設計者通過軟件分析模具與水路的散熱情形，設計出了異型水路，但是受到既有加工技術的限制，使得異型水路設計只能停留在理論階段。金屬增材制造技術出現(xiàn)后，使這些問題獲得了突破性改善。據悉，通過金屬3D打印的異型水路模具設計時間減少了75%、制造端人力節(jié)省了50%、射出模具生產周期縮短了14％、制造費用降低了16%等。
傳統(tǒng)的冷卻金屬模具與隨形冷卻金屬模具對比
另外，江蘇科技大學海洋裝備研究院通過金屬增材制造SLM工藝，成功制造出了原本只有英國Heatri一家公司才能生產出來的印刷版式LNG汽化器，而且采用增材制造技術制備的船用LNG汽化器能夠完全滿足超高壓、超低溫的運行條件，制造成本和周期也大幅減少。還包括剛剛首飛成功的國產大飛機C919，在北航、西安鉑力特等院企的攻克下，通過金屬增材制造技術成功研制出了鈦合金主風擋整體窗框、起落架整體支撐框、中央翼緣條等關鍵部件，有效避免了從國外采購，大大提高了C919的國產化率。
金屬材料是制造領域必不可少的重要材料，但是在實際的加工過程中，卻存在著不少問題，例如鈦合金、高溫合金、超高強度鋼等材料難加工、加工成本高、材料利用率低，加工周期長等。金屬增材制造技術所采用的激光、電子等高能束密度高，速度快，極大的改善了金屬材料的加工難度，并提高了材料利用率及降低了原材料成本。
以金屬增材制造技術應用最早和最廣泛的航空航天行業(yè)為例。航空航天基于高性能需求，需要大量使用鈦合金和鎳基超合金等昂貴的高性能、難加工的金屬材料。但零件的材料利用率非常低，一般低于10%，有時甚至于僅為2%-5%，大量昂貴的金屬材料變成了難以再利用的廢屑。
美國最大的航空發(fā)動機制造公司之一普惠公司應用增材制造技術用于發(fā)動機的鎳基合金和鈦合金部件的研制，結果顯示：不但獲得了與當前材料一致的性能，大大縮短了制造周期，提升了復雜幾何結構的制造精度；而且原材料消耗降低了50%，并將發(fā)動機的BTF比（原材料質量與部件最終質量之比）從傳統(tǒng)工藝的20:1降低到2:1以下，有效的提高了部件的質量和降低了制造成本。
3D打印非常適合個性化定制生產、小批量生產。當前，金屬增材制造的個性化制造在醫(yī)療器械的應用極為突出，一方面用于打印具有個性化需求的植入物/假體或模仿仿生原理的復雜結構。這些植入物通過3D打印技術的精確控制，有效實現(xiàn)外在輪廓及內部結構的同步重建，以滿足其與患者局部解剖結構的高度匹配，其中具有生物相容性的鈦合金材料是重要的加工材料，打印出來的多孔結構植入物，可以更好的與人體組織結合。另一方面，金屬增材制造技術還可用于為病人量身定做植入手術所需的精密部件，例如華南理工大學利用激光選區(qū)熔化技術（SLM）已成功研制了外科手術所需的個性化輔助導板。
個性化、小批量生產已經成為當前制造業(yè)發(fā)展的趨勢，金屬3D打印擺脫了模具制造這一關鍵技術環(huán)節(jié)，可以隨時調整參數(shù)，以更低的成本更短的周期進行小批量甚至單件產品的生產。除了醫(yī)療器械行業(yè)，在其他行業(yè)也極具應用潛力。
高成本零件的成形修復也是金屬增材制造技術的突出優(yōu)勢。過去，對于受損零部件只能做表面的涂層修復，并且維修工序步驟繁多，還涉及到一些額外的步驟如加工、拋光、測試等，同時還受維修時限條件的制約，耗時較長；而對于損傷稍嚴重的零部件也只能作更換處理。金屬增材制造技術則可以對任意缺失或損環(huán)的部分進行快速成形和修復。
例如航空航天零件結構復雜、成本高昂，一旦出現(xiàn)瑕疵或缺損，只能整體換掉，可能造成數(shù)十萬、上百萬元損失。而通過金屬3D打印技術，可以用同一材料將缺損部位修補成完整形狀，修復后的性能不受影響，大大延長了使用壽命，降低了成本，減少了停機時間。
圖：德國MTU 航空發(fā)動機公司整體葉盤激光修復過程流程
其實除了航空航天領域外，機械、能源、船舶、模具等行業(yè)也對大型裝備的高性能快速修復提出了迫切需求。據悉，西門子公司計劃從2014年開始采用金屬3D打印技術制造和修復燃氣輪機的某些金屬零部件，并稱在某些情況下，通過3D打印技術可以把對渦輪燃燒器的修理時間從44周縮減為4周。
對于傳統(tǒng)制造方式（鑄造、鍛造等）來講，將不同材料組合成單一產品非常困難，但是增材制造技術有能力使不同原材料進行組合制造。金屬增材制造LSF技術可以在通過鑄造、鍛造和機械加工等傳統(tǒng)技術制造出來的零件上任意添加同/異質材料的精細結構，并且使其具有與整體制造相當?shù)牧W性能。因此，針對部分工業(yè)零件適當利用增材制造技術進行組合制造，不同的結構部位采用不同類別的金屬材料，不僅大大提高結構件的性能，而且降低了成本，特別是昂貴材料的成本。同時，也把增材制造技術成型復雜精細結構的優(yōu)勢與傳統(tǒng)制造技術高精度本的優(yōu)勢結合起來，形成了最佳的制造策略。
增材制造技術快速自由成型的特點，給產品的設計帶來了無限的創(chuàng)新空間，為實現(xiàn)最優(yōu)化的設計提供了有效的制造途徑。特別是當前應用得比較多的拓撲優(yōu)化技術，與傳統(tǒng)的經驗式設計模式不同，經過拓撲優(yōu)化的創(chuàng)新模型是在滿足設計約束下的最優(yōu)拓撲結構。但是優(yōu)化后創(chuàng)新模型結構十分復雜，可制造性差，因此在設計階段不得不引入制造性約束，以滿足傳統(tǒng)加工制造工藝的要求。往往這樣得到的產品結構是犧牲掉了其在輕量化和高性能上的優(yōu)勢。而金屬增材制造技術則可以使這些經拓撲優(yōu)化后的創(chuàng)新模型，不用考慮制造約束并快速實現(xiàn)制造。
例如空客A320飛機的大尺寸“仿生”機艙隔離結構，這一結構是通過拓撲優(yōu)化設計，金屬3D打印制造而成，材料是采用的超強且輕質合金材料Scalmalloy。A320全新的機艙設計與原有的隔離結構相比，新型的仿生隔離結構由幾個不同的部件組成，不僅強度更高，而且將其總量減輕了45%。
另外，GE采用增材制造技術制造的Leap噴氣發(fā)動機的金屬燃料噴嘴，是通過長達10多年的探索通過不斷的優(yōu)化、測試、再優(yōu)化，才達到零件數(shù)量從20多個減少到了一個。這樣造出的燃油噴嘴不僅重量更輕，而且改善了噴油嘴容易過熱和積碳的問題，將噴油嘴的使用壽命提高了5倍；另外，減少組裝也提升了噴嘴的穩(wěn)定性，并為公司降低了物流、組裝、焊接等方面的成本。
金屬增材制造技術實現(xiàn)輕量化的四種途徑
輕量化這一概念最先起源于賽車運動，它的優(yōu)勢其實不難理解，重量輕了，可以帶來更好的操控性，發(fā)動機輸出的動力能夠產生更高的加速度。除了汽車領域以外，航空航天領域也有大量輕量化的需求。今天的干貨“力”薦時間將向大家介紹西安鉑力特激光成形技術有限公司（以下簡稱“鉑力特”）金屬3D打印技術實現(xiàn)輕量化的四種途徑。
輕量化這一概念最先起源于賽車運動，它的優(yōu)勢其實不難理解，重量輕了，可以帶來更好的操控性，發(fā)動機輸出的動力能夠產生更高的加速度。除了汽車領域以外，航空航天領域也有大量輕量化的需求。今天的干貨“力”薦時間將向大家介紹西安鉑力特激光成形技術有限公司（以下簡稱“鉑力特”）金屬3D打印技術實現(xiàn)輕量化的四種途徑。
鉑力特每年投入大量的研發(fā)人員及研發(fā)經費用于金屬3D打印輕量化研究，要實現(xiàn)輕量化，宏觀層面上可以通過采用輕質材料，如鈦合金、鋁合金、鎂合金等材料來達到目的。微觀層面上可以通過采用高強度結構鋼這樣的材料使零件設計得更緊湊和小型化，有助于輕量化。
而金屬3D打印帶來了通過結構設計層面上達到輕量化的可行性。具體來說，金屬3D打印通過結構設計層面實現(xiàn)輕量化的主要途徑有四種：中空夾層／薄壁加筋結構、鏤空點陣結構、一體化結構、拓撲優(yōu)化結構。
銅合金尾噴管的內外壁之間設計了50條隨形冷卻流道，增大冷卻接觸表面積，降低溫度達到快速冷卻的效果，有效提高了零件的工作溫度。
中空夾層、薄壁加筋結構通常是由比較薄的面板與比較厚的芯子組合而成。在彎曲荷載下，面層材料主要承擔拉應力和壓應力，芯材主要承擔剪切應力，也承擔部分壓應力。夾層結構具有質量輕、彎曲剛度與強度大、抗失穩(wěn)能力強、耐疲勞、吸音與隔熱等優(yōu)點。
在航空、風力發(fā)電機葉片、體育運動器材、船舶制造、列車機車等領域，大量使用夾層結構，減輕重量。
如果用鋁、鈦合金做蒙皮和芯材，這種夾層結構被稱作金屬夾層結構，鉑力特在3D打印過程中，采用夾層結構，實現(xiàn)構件的快速輕量化，經過設計的夾層結構對直接作用外部于蒙皮的拉壓載荷具有很好的分散作用，薄壁結構（比如壁厚1mm以下）也能對減重做出貢獻；夾層及類似結構可用作散熱器，在零件上應用，極大地提高零件的熱交換面積，提高散熱效率。
鏤空點陣結構可以達到工程強度、韌性、耐久性、靜力學、動力學性能以及制造費用的完美平衡。
三維鏤空結構具有高度的空間對稱性，可將外部載荷均勻分解，在實現(xiàn)減重的同時保證承載能力。除了工程學方面的需求，鏤空點陣結構間具有空間孔隙（孔隙大小可調），在植入物的應用方面，可以便于人體肌體（組織）與植入體的組織融合。
鏤空點陣單元設計有很高的的靈活性，根據使用的環(huán)境，可以設計具有不同形狀、尺寸、孔隙率的點陣單元。鉑力特在這方面做了不斷的嘗試：在構件強度要求高的區(qū)域，將點陣單元密度調整的大一些，并選擇結構強度高的鏤空點陣單元；在構件減重需求高的區(qū)域，添加輕量化幅度大的鏤空點陣結構，鏤空結構不僅可以規(guī)則排列，也可以隨機分布以便形成不規(guī)則的孔隙。另外，鏤空結構還可以呈現(xiàn)變密度、厚度的梯度過渡排列，以適應構件整體的梯度強度要求。
GE通過3D打印實現(xiàn)了噴油嘴結構一體化，提高了使用壽命和整體性能。
金屬3D打印可以將原本通過多個構件組合的零件進行一體化打印，這樣不僅實現(xiàn)了零件的整體化結構，避免了原始多個零件組合時存在的連接結構（法蘭、焊縫等），也可以幫助設計者突破束縛實現(xiàn)功能最優(yōu)化設計。
一體化結構的實現(xiàn)除了帶來輕量化的優(yōu)勢，減少組裝的需求也為企業(yè)提升生產效益打開了可行性空間。這方面典型的案例是GE通過長達10多年的探索將其噴油嘴的設計通過不斷的優(yōu)化、測試、再優(yōu)化，將噴油嘴的零件數(shù)量從20多個減少到一個。通過3D打印將結構實現(xiàn)一體化，不僅改善了噴油嘴容易過熱和積碳的問題，還將噴油嘴的使用壽命提高了5倍， 并且將提高LEAP發(fā)動機的性能。
拓撲優(yōu)化展示件根據引用要求邊界條件，進行拓撲優(yōu)化處理及打印模型光順處理，實現(xiàn)了可打印性，最終減重了75％。
作為solidThinking及3－Matic軟件中國航空航天獨家代理商，鉑力特與Altair以及Materialise的“聯(lián)姻”為金屬3D打印提供了更多可能性。
拓撲優(yōu)化是縮短增材制造設計過程的重要手段，通過拓撲優(yōu)化來確定和去除那些不影響零件剛性的部位的材料。拓撲方法確定在一個確定的設計領域內最佳的材料分布：包括邊界條件、預張力，以及負載等目標。
拓撲優(yōu)化對原始零件進行了材料的再分配，往往能實現(xiàn)基于減重要求的功能最優(yōu)化。拓撲優(yōu)化后的異形結構經過仿真分析完成最終的建模，這些設計往往無法通過傳統(tǒng)加工方式加工，而通過金屬3D打印則可以實現(xiàn)。
增材制造的發(fā)展已經不單純是一個技術問題，而是一個生態(tài)問題了。當然，在技術層面，3D打印仍在不斷創(chuàng)新、深入、延伸和融合；而在生態(tài)層面，增材制造正不斷向系統(tǒng)化、平臺化、生態(tài)化方向發(fā)展。在消費級，3D打印傾向于個性化、定制化發(fā)展；在工業(yè)級，3D打印更強調金屬增材制造的低成本批量化應用。任何技術的創(chuàng)新發(fā)展都有其成長軌跡，由于增材制造在數(shù)字化、輕量化、更好性能、更好設計、更利于建模模擬測試、更短制作周期等方面具有獨特優(yōu)勢，其發(fā)展?jié)摿o疑是非常巨大的。
增材制造設計指南----雷尼紹
粉末床熔融金屬3D打印技術為構建具有自由形狀和復雜特征的零件提供了極大的自由度，可直接根據CAD數(shù)據制造成品，無需使用成本高昂的加工工具。若以傳統(tǒng)方式來制造這些設計復雜的零件，則顯得非常不切實際，甚至根本不可能完成。增材制造技術制造的零件往往更輕、更高效且能夠更好地發(fā)揮工作性能。
然而，這并不是說這種靈活性能夠讓我們隨心所欲地設計任何想要的形狀，至少在成本的約束下，我們也不可能做到這一點。
在這方面，金屬3D打印專家英國雷尼紹總結了一系列的增材制造設計指南，在此，3D科學谷將分為兩期與谷友分享，本文為上半部分。
與任何制造工藝一樣，增材制造技術也有自己的優(yōu)勢和局限性。例如，對于采用激光粉末床熔融技術制作的零件，如果設計有懸伸部分 — 也就是具有要在未熔粉末的頂部進行熔融加工的位置 — 則可能需要設計一次性支撐才能順利完成加工。這些支撐會增加加工時間、消耗更多材料，而且還需要額外的后處理來進行移除。
圖片中零件功能雖經優(yōu)化但并不是為用于增材制造 (AM) 而設計的零件可能需要大量支撐，導致它們的制造效率偏低。
因此，如果我們打算采用增材制造技術生產性能優(yōu)異的零件，同時又要兼顧經濟和實用性，那么增材制造設計 (DfAM) 就變得尤為重要。
下面我們開始介紹能夠提高增材制造加工的成功率及生產效率的諸多關鍵因素，并解釋了設計師在開發(fā)高效的生產零件時應遵循的一些重要指導原則。
殘留應力是快速加熱和冷卻的必然產物，這是激光粉末床熔化工藝的固有特性。每一個新的加工層都是通過如下方式構建的：在粉末床上移動聚焦激光，熔化粉末頂層并將其與下方的一個加工層熔合。熱熔池中的熱量會傳遞至下方的固體金屬，這樣熔融的金屬就會冷卻并凝固。這一過程非常迅速，大約只有幾微秒。
新的金屬層在下層金屬的上表面凝固和冷卻時會出現(xiàn)收縮現(xiàn)象，但由于受到下方固體結構的限制，其收縮會導致層與層之間形成剪切力。
圖 ：激光在固體基體的頂部熔融金屬形成新的焊道（左）。激光沿著掃描矢量移動并熔融粉末，隨后通過將熱量傳遞至下方的固體金屬，熔融后的粉末開始冷卻。凝固后，冷卻金屬收縮，該金屬層與下一層之間就會形成剪切力（右）。來源雷尼紹
殘留應力具有破壞性。當我們在一個加工層頂部增加另一個加工層時，應力隨之形成并累積，這可能導致零件變形，其邊緣卷起，之后可能會脫離支撐：
在比較極端的情況下，應力可能會超出零件的強度，造成組件破壞性開裂或加工托盤變形：
這些效應在具有較大橫截面的零件中最為明顯，因為此類零件往往具有較長的焊道，而且剪切力作用的距離更長。
解決這一問題的手段之一是改變我們的掃描策略，選擇一個最適合零件幾何形狀的方法。當我們用激光軌跡填充零件中心時，通常會來回移動激光，這一過程稱之為“掃描”。我們所選擇的模式會影響掃描矢量的長度，因此也會影響可能在零件上積累的應力水平。采用縮短掃描矢量的策略，則會相應減少產生的殘留應力：
完成每層掃描后將整體模式和每個島狀區(qū)域旋轉67°
圖 ：掃描策略與適合它們的不同零件類型。兩種最常見的掃描策略分別是用于薄壁零件的“迂回”掃描（也稱為光柵掃描），及用于具有較厚截面的零件的“條紋”掃描?！捌灞P”或“島狀”掃描策略也同樣有效。條紋和棋盤掃描可縮短各掃描線的長度，減少殘留應力的累積。
我們也可以在從一個加工層移至下一個加工層時旋轉掃描矢量的方向，這樣一來，應力就不會全部在同一平面上集中。每層之間通常旋轉67度，以確保在加工完許多層后掃描方向才會完全重復。
加熱加工托盤也是用于減少殘留應力的一種方法，而序后熱處理也可減少累積的應力。
在任何疊層制造工藝中，加工方向始終限定在Z軸 — 即垂直于加工托盤。請注意，加工方向并非始終都是通用方向。應當選擇合適的方向，以便使用最少的支撐材料或不使用支撐材料來生產最穩(wěn)定的加工件。
在粉末床加工工藝中，由于形狀是一層層構建起來的，因此層與層之間的關聯(lián)方式非常重要。當每一層熔化時，它需要下面的一層來提供物理支撐和散熱路徑。
當激光熔化粉末層時，如果粉末層下方為固體金屬，則熱量會從熔池傳遞至下方結構，這會再次熔化部分固體金屬并形成牢固的焊接。隨著激光源移開，熔池也將快速凝固，因為熱量已被有效傳遞出去。
如果零件具有懸伸部分，那么熔池下方區(qū)域至少有一部分會是未熔粉末。這些粉末的導熱性遠遠低于固體金屬，因此來自熔池的熱量會保留更長時間，導致周圍更多粉末燒結。結果可能是，多余材料附著在懸伸區(qū)域的底面，這意味著懸伸結構可能呈現(xiàn)出畸形和粗糙的表面。
圖：在固體金屬上方熔化粉末能夠快速冷卻（左）。當粉末熔化過程發(fā)生在懸伸區(qū)域時，由于其下方是未熔粉末，因此需要更長時間冷卻，而多余的材料可能會附著在零件的底面。來源雷尼紹
一般來說，與加工托盤形成的角度小于45度的懸伸結構需要支撐。
懸伸表面被稱為下表層。它們通常會呈現(xiàn)出比垂直壁面和朝上表面更粗糙的表面。這種效果是熔池冷卻速度減慢導致懸伸結構下方的粉末局部燒結所致。
通常能夠在多個方向上完成一個零件的加工。我們應選擇可實現(xiàn)最理想的零件自身支撐的擺放方向，以便盡可能降低加工成本并減少后期處理工作。
圖：一個零件通?？裳囟鄠€方向完成加工，擺放方向的選擇將大大影響支撐材料用量以及所需的后處理工作量。從左起：
- 修改設計，添加額外的錐形以減少支撐，結果可導致零件質量增加，可能需要后處理加工 / 線切割加工
- 傾斜45度 — 除了一個局部最低點外，大部分采用零件自身支撐（詳情請參見下文）。下表層和上表層將呈現(xiàn)出不同的表面粗糙度
- 倒置，底面采用短支撐 — 加工時間縮短，但后期需要對支撐面進行精加工
緊密附著在粉末床上，留出適合電火花 (EDM) 移除的毛坯余量 — 殘留應力可能是個問題
- 與前一種方式相似，但附著區(qū)域較少，減少了應力累積 — 從制造角度來看，這可能是最高效的設計
- 最后一種方法（未顯示）是將零件平放在托盤上。這可以降低加工高度，但也會限制可在加工托盤上擺放的零件數(shù)量，并且容易形成更大的殘留應力。
最好是在零件設計過程的前期便使用加工文件處理軟件評估各個擺放方向，以確定最有效的方式。一旦做好決定，便可以在此基礎上繼續(xù)進行詳細設計。
局部最低點是零件上未與下方粉末熔融層連接的任何區(qū)域。這些區(qū)域在加工過程中需要添加支撐來固定。如果在下方沒有支撐結構的情況下開始加工，當刮刀處理下一層時可能會造成第一個加工層發(fā)生位移，導致加工失敗。
局部最低點可能會非常明顯，如上例所示。它們也可能出現(xiàn)在與零件邊緣相交的橫孔和斜孔的頂部（如下例所示）。
如前所述，下表層的表面光潔度一般較差。如果我們要生產具有最佳精度的細節(jié)特征，那么最好將這些特征定位在零件的頂面，也就是上表層。嵌入下表層的細節(jié)特征很有可能會損失精度。
另一個要考慮的問題是零件相對于加粉刮刀的擺放方向。當添加一層新的粉末時，刮刀會在粉末床上鋪開粉末，粉末逐漸被刮刀擠壓以形成新的密集層。當材料被擠壓時會在粉末床上形成壓力波。該壓力波會與朝向刮刀方向傾斜的零件表面相互作用，向下擠壓粉末并向上擠壓零件的前邊緣。這可能會使零件鉤到刮刀上，導致加工失敗。請注意，柔性刮刀可以降低這種影響。
支撐和斜邊的擺放應盡可能遠離刮刀方向。通過旋轉零件，壓力波現(xiàn)在能夠以傾斜的角度沖擊零件，因此降低了零件變形的可能性。
如果無法通過旋轉調整位置，或零件是旋轉對稱的，則可能需要添加支撐，而受影響的加工面可能需要進行后期處理。
- 殘留應力和表面光潔度也是受擺放方向影響的重要因素
- 具有復雜幾何形狀的零件可能不太容易擺放 — 通常需要在表面質量、細節(jié)、加工時間/成本和支撐結構之間權衡取舍
正如我們之前討論的，依賴支撐來克服擺放方向問題不是一種好的工程設計實踐。雖然我們可能會容忍在制造原型零件時付出額外的加工時間和后期處理成本，但是此類浪費在批量生產增材制造零件時則是難以接受的。過度依賴支撐表明這個零件的幾何形狀“不夠穩(wěn)固”，這對成品率有潛在影響。盡管我們可以通過設計來盡可能減少支撐，但有時也不可能將其完全消除。支撐有三大主要功能：隔離材料 — 支撐可用于“固定”未與前一層相連的材料（即與加工托盤形成的角度小于45°的懸伸結構，或局部最低點特征）。最好是將支撐結構集成到組件設計中。殘留應力 — 我們應通過設計來減小加工過程中的殘留應力，避免尖銳邊緣，并避免大面積加工區(qū)域直接附著在加工托盤上。如果這點無法實現(xiàn)，那么可以應用支撐來抵消零件中的應力，防止材料從加工托盤上脫落。這一方法不推薦用于批量生產加工件。散熱通道 — 未熔粉末是一種絕熱體。支撐會從下表層區(qū)域轉移走一些熱量，這有助于避免粉末燃燒、過度熔化、變形和變色；對于正對刮刀方向的下表層，其效果尤為顯著。通過旋轉零件改變其與刮刀的相對朝向，也可減少上述不利影響。主要支撐指的是那些在CAD環(huán)境中隨組件一起開發(fā)的支撐，它是一次性結構，當加工完成時將被移除。輔助支撐是那些在加工文件處理軟件中生成的支撐。主要支撐的特點是堅固，可控性更好?？梢詫⑺鼈儗氲郊庸の募幚碥浖校ㄒ許TL形式），或與零件的主體一起設計。還可以使用完整的修訂控制功能將它們以參數(shù)的形式導出。也可以執(zhí)行有限元應力分析。此外，我們可以設計和模擬主要支撐，讓其以可控方式傳遞熱量。在加工文件處理軟件中創(chuàng)建的輔助支撐也可通過參數(shù)進行管理，但缺乏可追溯性和可重復性。如果更改零件設計，它們可能需要重建。
混合支撐設計充分利用CAD設計和加工文件處理軟件的優(yōu)勢來實現(xiàn)最佳方案。雖然0.3 – 1 mm的水平懸伸結構可采用自身支撐，但是不建議這樣做。而超過1 mm的懸伸結構則必須要重新設計或為其添加支撐?？稍诮M件中添加圓角和倒角以消除懸伸結構（如圖中所示）。孔洞和管道內的支撐很難移除，并且可能需要后續(xù)加工。同樣，支撐太小也會給移除帶來難度。如果零件的幾何形狀比支撐更加脆弱，則在后期處理過程中零件損壞的風險較高。零件側面露出的橫向孔可能也需要支撐。在大多數(shù)激光粉末床機器上可加工出的孔的最小尺寸為0.4 mm。直徑大于10 mm的孔洞和管道將需要在其中心添加支撐，此時應考慮重新設計。直徑介于這兩個尺寸之間的孔洞可在不添加支撐的情況下加工，但它們的下表層表面可能會出現(xiàn)一些變形，這是因為懸伸部分上方的熔池冷卻速度減慢所致。由于水平孔的圓度很可能不會十分理想，因此更可行的方法通常是改變它們的形狀以便它們能夠采用自身支撐。在某些情況下，淚滴形或菱形孔都是可以接受的最終特征。兩種輪廓都可用于流體通道，并可提供相似的液壓性能，但是菱形孔能夠更好地抵抗流體壓力。在其他情況下，如果要求必須有高精度的圓孔，則需要進行后期加工。菱形孔可用作銑削加工的對稱導孔，這點比淚滴形孔更好。在許多情況下，不在增材制造階段加工這些孔，而是在后期處理階段在實心結構上鉆孔，這可能是最合理的方式。- 移除相對加工托盤的懸伸角度小于45°的區(qū)域- 直接緊貼加工托盤完成零件加工，同時留有額外的加工余量拓撲優(yōu)化和衍生設計越來越多地用于設計具有更高效率的零件。網狀結構也具有減輕重量的優(yōu)勢。增材制造技術生產復雜形狀零件的能力使之成為實現(xiàn)此類設計的最佳方式。這些優(yōu)化技巧的主要目的是，在移除多余材料的同時保持結構的強度和剛性。經過優(yōu)化的零件通常呈現(xiàn)出更為復雜、有機的外觀。需要注意的是，功能經過優(yōu)化的零件可能未必適合采用增材制造方式加工 — 尤其就加工零件擺放方向而言。圖：可明顯看到，以水平擺放方向加工該零件時，那些突出顯示為紅色的懸伸區(qū)域內需要添加很多支撐。沿垂直方向重新擺放零件后，需要添加支撐的區(qū)域將變少。圓孔等細節(jié)將需要添加支撐或重新設計。還需要注意的是優(yōu)化的支撐桿與圓角半徑的交匯角。在設計階段重新評估零件時已將擺放方向考慮在內，因此，很顯然該零件在進行增材制造加工時只有一個擺放方向。現(xiàn)在要針對后期加工重新設計橫向孔等細節(jié)：
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