创成式设计 – 增材制造和减材制造的融合

介绍

使用创成式设计（GD），我们能够参与设计探索，以帮助我们寻找解决工程和产品设计问题的新方法。它为我们提供了探索超越传统设计界限的机会，特别是在重量轻、刚度高和材料使用最少的情况下。在设计中的探索和发现可能会有所帮助，因为我们希望解决我们在设计和制造领域面临的环境压力。

然而，许多人仍然将创成式设计视为创建只能使用增材制造生产的设计的工具。了解情况并非如此，以及如何以有趣的方式使用支持其他制造方法的工具。

“复杂性是免费的”通常是与增材制造结合使用的短语;然而，由于过程的约束和局限性，使用某些加法方法并不总是期望的结果。然而，提供适合所选制造方法的优化设计结果始终是使用创成式设计的目标。

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那么，在这些情况下，如何使用GD来推动适合这些增材制造方法的结果？了解如何使用减材物镜输出高效的制造就绪型设计，以便与增材制造一起使用，以及创成式设计如何真正实现减材和增材制造的融合。

多种制造方法

当谈到参与创成式设计提供的设计探索机会时，可能会有一种看法，即它仅用于推动增材制造零件的界限。这种看法通常是由人们见过的一些更复杂、更引人注目的GD例子所塑造的，而且当它首次出现时，它最初专注于增材制造作为交付结果的方法。

但是，情况已不再如此。创成式设计现在可以产生更具包容性的解决方案，当涉及到我们打算用于生成最终设计的制造技术类型时。

GD现在能够提供可用于2D切割，2.5轴，3轴和5轴CNC加工等方法的设计，并且能够产生压铸结果，这些结果可以很容易地用于使用其他成型方法进行制造。

为了说明这一点，下面是生成式设计研究的结果，该研究返回了许多不同的解决方案。所有这些都是有效的设计选项，每个选项都针对特定的制造方法量身定制。所有这些都是由创成式设计的单一设置产生的。

这种能力的广度很有趣，因为在制造业中，增材和减材技术通常被视为相互排斥的方法。在混合制造应用中，有时会存在交叉元素，其中增材制造用于提供近净形状，并且需要减法方法的帮助才能获得最终的精确形式，但通常那些使用增材制造的人只会看到使用添加剂的可能性，而那些使用减材制造的人则专注于采用加工的机会。

探索制造方法的融合

我想介绍一下在创成式设计中将增材和减材制造方法融合在一起是如何有益的。它还举例说明了Fusion 360如何通过将两种制造方法整合到其中存在的制造和创成式设计工作空间中，名副其实。

在使用创成式设计时，我鼓励您考虑，仅仅因为研究的制造结果针对一种特定的制造方法，并不一定意味着它是该方法的唯一保留。以下是一种“制造融合”工作流的示例。

无复杂性的增材制造

增材制造通常被描述为一种制造“复杂性免费”的方式。虽然这从来都不是完全正确的，但对于那些技术的倡导者来说，这是一个持久的标语。事情的真相是，一些增材制造方法无法实现高几何复杂性的承诺，但它们仍然能够提供一种非常有效的制造方式。

使用某些材料和某些技术的增材制造受到以下事实的限制：无支撑的悬垂不仅不可取，甚至可能是不可能的。我将用两个例子来说明这一点，一个主要涉及熔丝制造（FFF）3D打印，次要一个涉及增材制造的定向能量沉积（DED）方法。

借助FFF 3D打印机，现在可以使用在聚合物粘合剂中密集装载金属粉末的材料长丝。使用这些材料，可以在台式机器上3D打印零件，然后通过催化脱脂和烧结过程，以获得非常接近100%致密的最终金属零件。有幾個這種系統的例子可用，但這裡我將專注於在Ultimaker S5（或S3）台式3D列印機上使用BASF Forward AM Ultrafuse 316L材料。

Ultrafuse 316L提供了通过3D打印创建316L不锈钢零件的机会，但在撰写本文时，没有与该特定3D打印灯丝兼容的有效可移动支撑材料。悬垂区域也可能是工艺脱脂和烧结阶段零件稳定性出现重大问题的原因。但是，我仍然想探索如何使用这种材料和增材制造方法来创建使用创成式设计生产的零件。

实现减材制造和增材制造的融合

因此，在指定制造结果时，我采取了略有不同的方法。由于需要生产没有悬垂区域的设计，因此我选择使用的制造目标是 2.5 轴 CNC 加工，因为就其本质而言，它应该生成符合该要求的设计。

在创成式设计研究设置中指定 2.5 轴 CNC 加工的制造目标时，可以定义将使用的最小刀具直径。虽然您通常会指定要使用的CNC工具的实际尺寸，但该软件实际上并不限制您使用现实生活中的工具。因此，例如，您不太可能使用直径为0.4毫米的刀具进行2.5轴加工并不重要，但是，如果您希望为FFF 3D打印创建解决方案，则该尺寸可用于表示所用喷嘴挤出的材料直径。

所以，用这种想法，这是我为设计抓手臂而进行的一项研究。它基于可在Fusion 360数据面板的“示例项目”部分找到的设计：

（项目 => 个模拟样本，文件夹 => 1 – 动手练习，设计 => GripperArm）。

在这种情况下，我建立了研究，并将2.5轴CNC加工制造目标包括在我打算将结果用于增材制造方法的全部知识中。在这种情况下，我将工具直径设置为相当适中的2毫米（即使3D打印将使用直径为0.6毫米的喷嘴）和2.5毫米的壁厚，为3D打印提供可用条件。如果我想要一个更复杂的结果，我可以进一步减小指定的刀具直径。

工具方向设置为Z，以确保不会为3D打印机产生悬垂处理，并且316L不锈钢包含在为研究选择的材料中。

这是使用2.5轴加工为316L不锈钢零件生成的解决方案之一，看起来值得进一步研究并具有3D打印的潜力。从图像中可以看出，设计中没有悬垂，因此我决定导出此结果，并在将其用于3D打印之前仅对其进行了非常小的更改。

3D 打印和后处理

結果是使用Ultrafuse 316L在Ultimaker S5機器上生產的簡直，無支持3D列印。

 

然后将这些3D打印件通过脱脂和烧结过程，以完成使用桌面3D打印机成功制造的衍生式设计的316L不锈钢部件。

后续步骤：定向能量沉积

同样的技术也可以应用于使用定向能量沉积（DED）方法的增材制造。使用这项技术的机器现在开始以比以往更低的成本点和更用户友好的水平出现，这意味着我们开始看到采用该技术的障碍正在降低。这具有加速其作为制造方法使用的潜在好处。

虽然DED可以作为混合制造方法的一部分进行部署，其中沉积头用于多轴CNC机床，但它也可用于独立机器，如Meltio M450。这提供了ED（或在这种情况下称为LMD - 激光金属沉积）的方式与FFF 3D打印非常相似。但是，在此应用程序中，它具有不希望产生悬垂区域的相同限制，因此使用2.5轴创成式设计结果进行增材制造的技术也适用于此过程，并且将成为我持续使用和开发上述工作流程的一部分。

结论

那你还等什么？打开 Fusion 360，使用创成式设计提供的所有工具成为“设计探索者”。了解如何将增材制造和减材制造目标结合到您的探索中，并发现使用创成式设计提供的多个制造目标功能的潜在好处。

Steve Cox是一位合格的专业工程师，在汽车行业拥有超过30年的工作经验，曾负责许多车辆项目的工程责任，这些项目涉及满足数百万英镑的投资预算以及多达25名工程师的领导团队。他现在是一名3D技术顾问和教育家，在各个领域工作。Steve通过他在Fusion 360作为银级Autodesk认证讲师的培训活动，以及促进3D打印和增材制造的使用和应用，积极参与了制作的未来。这既是在教育部门，也是在最新的3D数字工程工作流程中提高工程和制造用户的技能。Steve还提供产品设计和工程以及3D打印/增材制造领域的咨询和服务。