据了解，目前一些公司会用增材制造直接替代传统制造，但是往往会出现部件成本过高，无法投入商用的局面。这是因为他们没有考虑到增材制造工艺的特殊性。使用专门为增材制造设计的零件，制造商可以在提高技术的同时降低生产成本以及提高效率。本篇文章中，魔猴网研究了优化的增材制造零件设计对机器运行成本的影响。

在缺乏专门设计的零件的情况下，增材制造生产成本会十分高昂，而工业增材制造系统也价值不菲，并且部分生产速度十分缓慢。目前能够生产金属零件的增材制造系统的成本大约在在50万美元到100多万美元之间。

如果以全年80%的运行时间计算，那么金属3D打印系统每年运作的时间约为7000小时。对于高科技设备，两年的投资回报期（ROI）是成本计算的合理平均值，这也就意味着根据设备价值不同，每小时的运行成本为每小时37美元到每小时90美元不等。

如果取每小时65美元为中间值，那么一个需要10小时构建的部件就会产生650美元的机器成本。而金属3D打印的构建时间通常远远不止。当构建时间超过100小时，这个零件的单独机器成本就会高达6500美元。

重涂时间和零件设计

不同于大小高度，金属3D打印零件生产过程中，各层的重涂时间不受零件设计的影响。重涂是指在用激光熔化前撒上一层粉末。根据机器不同，每层重涂的时间一般为4到15秒。假设一个部件的高度为100毫米，层厚度为50微米，由2,000层组成，那按每层重涂时间为8秒，则总重涂时间为16,000秒（4.5小时）。每小时平均运营成本按照65美元计算，则该次重涂总时间成本约为290美元。

表1列出了金属3D打印的主要步骤以及通过零件设计实现总构建时间的步骤。可以看到通过改善几个设计因素可以减少构建时间。影响时间和成本的主要因素是需要熔化的粉末量。大多数金属3D打印系统的工作原理是以激光或电子光束逐层从外到内扫描熔化粉末，即所谓外部支撑框架到内部填充部分。该过程类似于用铅笔在圆圈内交叉画线：首先画出一个圆形，然后用交叉线条填充。这意味着，表面积越大，创建零件的每一层所需的时间越长。而这个问题可以通过设计来改进。

用于传统CNC加工的液压歧管一般由内部钻有许多连接孔的金属块组成。液压液体可通过这些通道流到接口处，连接连接阀门和压力传感器。要在金属块内部制造连接通道，传统工艺唯一的方法是从外部钻孔。如果使用3D打印的话，则想像把歧管整体平剖，就像是正方形中留有几个孔（如图1所示），逐层打印完成。

图1 左：液压歧管右：打印层示例

那么每层的内部填充部分需要长扫描距离。如果歧管尺寸为100 x 100 mm，填充间距设置为0.1 mm，则每个正方形需要大约100米的扫描。换句话说，光束必须行进超过100米才能完成创建一层。再按光束以每秒330毫米的行进速度计算，填充完一层的时间则需要300秒（5分钟），产生5.41美元的机器成本。

减少材料用量

相反，如果将歧管主体与外部框架从金属块中剥离，则会大大减少了扫描量，加快打印时间（图2）。设置与上文同等的间距参数，歧管厚度设置为2mm，则总扫描距离约为4.5米，减少超过95％。如果光束以每秒330毫米的速度行进，填充完一层的时间为13.6秒，机器运行成本减少至0.24美元。

图2 如果将打印主体从固体材料剥离出来，扫描时间减少，打印速度变快

这部分完成后，再将未熔化的粉末填充进内部空腔。在不需要考虑重量的情况下，可保留未熔化的粉末；如需考虑重量，则可添加开口以便后期去除粉末。还有一种不需要考虑重量的情况，则可在部件内部填充支撑结构。

在设计增材制造部件时，最大限度地减少大量固体材料是有帮助的。与注塑成型中的固定厚度相似，大量材料通常不具备太大的工程优势并可能导致部件翘曲并引起残余应力。此外，大量的材料会延长构建时间。设计技巧可以减少材料应用，例如凝壳技术还有用蜂窝晶格或多孔结构来进行填充。

热应力消除时间也会随着材料减少相应缩短。如果部件没有使用大量材料切壁厚小于一般标准，则构建过程中的残余应力较小，从而缩短了热处理时间。

构建时间与支撑结构

从构建时间的角度来看，最好能在最低构建高度，以最少的层数和最快的时间完成一个零件制造。另外，零件的机械性能、几何精度、表面光洁度和支撑材料也会受构建方向影响，因此设计时也需要充分考虑这些因素。

金属3D打印设计的一个重要目的是减少构建零件的支撑材料数量。支撑材料用于将零件固定到构建平台，并帮助支撑和保持零件悬垂特征。最重要的是，支撑材料可以帮助部件散热，最大限度地减少热变形。但是制造过程中，需要特别避免部件内部的支撑材料，例如歧管通道内部，因为这很难或无法移除。

图3显示了歧管制造的三种形式。左：传统机器加工和钻孔设计；中：需要大量支撑结构的凝壳设计；右：完全优化的设计。可以看到优化的设计构建时只需使用很少的支撑材料，相对的也更容易移除。 而表2则显示三种不同设计所需的时间、成本和材料重量。

图3 三种不同的歧管制造方式

左：传统机器加工和钻孔设计；中：需要大量支撑结构的凝壳设计；右：完全优化的设计。

歧管这个例子说明机器成本对增材制造零件生产的影响，是总成本中最重要的因素，但可以通过避免使用大量材料和减少填充时间来降低。前文的数字已经证明，高厚度的支撑外壳也会产生实质性的影响。

表1 金属3D打印的主要步骤及其对部件设计的影响

表2 三种不同设计的时间、价格与重量