详解：工业级金属分流歧管的3D打印重新设计
《3D打印世界》讯/ 3D打印就像一个神奇的魔术师，看起来有了这种技术似乎什么都能打。但是，在实际操作中，无论是技术上带来的挑战，还是其经济效益的把控，都需要掌握一些增材制造的设计原则，以及一些经济性的做法，从而加以改进。
本文，我们将以金属3D打印的工业进气歧管（不锈钢316材质）为例，揭示如何实现这种效益的最大化。
图1 3D打印部件进行优化前（左）与优化后（右）
1.挑战与目标
上图产品是一个用于清洁安装的歧管（分流装置）。该零件使用传统的加工和焊接技术制造，由7个不同的组件焊接组装成一个完整部件。该歧管的功能是将流入物分为2个不同的通道，同时尽可能均匀地向介质中加入溶剂。需要特别注意的是，用于流入和流出的接口（连接器）是柔性管，因此可以修改（位置）。
图2 分流歧管功能运作图
本案例中的3D打印重新设计主要有两个方向：
提升部件的流动性能（流动阻力最小化、溶剂混合效率最大化）
减少部件的生产成本
2.为什么要用3D打印？
图3：原本的分流歧管（左）和优化设计后的分流歧管（部件的体积变小了，但性能、成本却得到优化）
3.设计策略
增材制造设计考虑了边界条件（如本案例中的进/出流速，以及歧管直径、溶液浓度）。材料选择主要是考虑其耐蚀性和强度。
a) 功能性：主要是提升溶剂混合效率，在不完全改动原有设计的设计上加入出口分流设计
图4 原有的歧管内部结构（左），通过焊接/组装子部件成为整体；全新功能性设计（右）
b) 可打印性及后处理：可更改功能性设计，需要注意几个因素：
打印方向
减少表面处理和去支撑等后处理操作
部件表面和特征是否便于后处理
注意“网格”混合特征，同时还要考虑直接金属3D打印的角度设置（自支撑）
图5 内部设计，加速溶液混合
4. 工具
为了得到更好的打印效果，软件和工具的选择很重要，比如SolidWorks等CAD软件、拓补优化软件等。
图6 123D Make文件浏览器的CAD设计捕捉图，使用软件为SolidWorks
5. 打印部件的实现
在设计之初就选对方向会使支撑结构设置得更好或更简单。支撑对金属3D打印来说很重要，关系到构建过程中零部件的物理以及热稳定性。设置支撑通常意味着：a、部件成本增加；b、打印耗时延长（涉及到成本）；c、后处理更复杂。
图7 含支撑结构的打印歧管部件。直接连接到金属基板，就需要用锯条或电火花将基板给切下来，设计还应该考虑到当部件从打印机或基板上去除时如何清理那些掉落在部件腔内的粉末。
6.得到最终的部件
为了得到最终的部件，还有几个步骤要考虑进去，特别是这一个，我们必须：
a)从打印基板上将打印部件移除（使用带锯机或手工具）。
b)从打印基板上将打印部件移除（使用带锯机，用钳子将支持去掉）。注意在重新使用的时候基板需要修复表面。
c)去除部件的支撑，使用钳子钳断连接点。
d)为了使表面光滑，在与支撑相连的表面会留下一些粗糙点。
e) 机械的关键界面区域（图8 黄色箭头标注的地方）确保与软管接口正确匹配，避免泄露，关键界面的后处理是唯一重要的一点。
图8 需要后处理的区域确保了正确的接口公差(表面光洁度、平整度、维度等)
f) 金属打印表面的喷砂处理可以将半烧结状态的金属颗粒移除，像图9所示。
图9 使用氧化铝珠进行喷砂处理后获得的最终表面
7. 然后，测试！
任何零件在没经过功能测试之前都不算完成，不只是3D打印的部件，在这个案例中，功能测试设计到所有软管和流动装置的装配，然后测试每个流出渠道的泄漏、压力、溶剂浓度，部件形状和安装检查。在一些关键的应用案例中，用CT扫描（通过计算机轴向断层形成的X线）来确定在打印过程中部件内部可能存在的缺陷是很有必要的，这些缺陷很可能导致毁灭性的失败。
最终检测证明，3D打印帮助减少了生产周期和成本，最重要的是，客户也很满意！
本文作者Steve Fournier曾任美国劳伦斯伯克利国家实验室工程项目经理、激光工程师，现为增材制造咨询企业Makernest（www.makernest.com）创始人&首席行政官,以及 KLA-Tencor增材制造工程项目经理。
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