如何設(shè)計(jì)更好的大型3D打印

魔猴君  知識(shí)堂   19天前

本文將向您介紹大型3D打印的基本設(shè)計(jì)技巧，涵蓋選擇正確材料、優(yōu)化打印方向以及微調(diào)設(shè)計(jì)以獲得最佳效果等關(guān)鍵方面。無(wú)論您是首次探索大型3D打印還是旨在改進(jìn)現(xiàn)有工作流程，您都可以找到技巧。

一、什么是大規(guī)模3D打??？

圖1：荷蘭哈勒姆3D Makers Zone的機(jī)械臂大規(guī)模3D打印（來(lái)源：3D Makers Zone）

大規(guī)模3D打印，通常稱為大幅面增材制造(LFAM)，涉及能夠生產(chǎn)任何尺寸大于1米（3英尺）的零件的系統(tǒng)。

雖然有多種技術(shù)可用于生產(chǎn)這種規(guī)模的部件，包括熔融沉積成型(FDM)、激光粉末床熔合(LPBF)、電弧增材制造(WAAM)和一些樹(shù)脂技術(shù)，但本指南重點(diǎn)介紹基于機(jī)械臂擠壓的方法，這些方法用于建筑、汽車、家具和藝術(shù)等行業(yè)的大型項(xiàng)目。這些打印機(jī)不使用標(biāo)準(zhǔn)切片軟件，而是擁有自己獨(dú)特的刀具路徑生成系統(tǒng)。

機(jī)械臂3D打印機(jī)與桌面3D打印機(jī)有很大不同，不僅在尺寸上，而且在技術(shù)復(fù)雜性、材料處理和整體工作流程上也有很大不同。事實(shí)上，人們普遍誤以為零件和模型可以簡(jiǎn)單地按比例放大以用于LFMA。這就像家庭廚師和餐廳廚師：你的設(shè)備、材料和流程需要完全不同。

LFAM的快速崛起是由技術(shù)進(jìn)步和市場(chǎng)需求共同推動(dòng)的。現(xiàn)代大幅面打印機(jī)可以處理標(biāo)準(zhǔn)熱塑性塑料以外的各種材料，包括混凝土、復(fù)合材料和纖維增強(qiáng)塑料。大規(guī)模制造更大、功能性部件的能力為應(yīng)用開(kāi)辟了新的可能性，為從建筑到制造業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域提供了速度、定制和可持續(xù)的解決方案。定制建筑結(jié)構(gòu)和汽車原型等項(xiàng)目只是LFAM可以實(shí)現(xiàn)的開(kāi)始。

盡管機(jī)器、材料和軟件都已經(jīng)進(jìn)步，但LFAM更廣泛應(yīng)用的一個(gè)障礙是如何為其設(shè)計(jì)零件。在這里，我將指導(dǎo)您完成必要的設(shè)計(jì)策略、材料選擇和工作流程優(yōu)化，為從小規(guī)模過(guò)渡到大幅面打印的設(shè)計(jì)師提供實(shí)用指導(dǎo)。

二、LFAM中的10個(gè)最重要的考慮因素

圖2：荷蘭哈勒姆3D Makers Zone的機(jī)械臂大規(guī)模3D打?。▉?lái)源：3D Makers Zone）

現(xiàn)在您已經(jīng)了解了大幅面3D打印廣泛應(yīng)用的幾個(gè)示例，現(xiàn)在是時(shí)候了解一下它是如何實(shí)現(xiàn)的了，這一切都從設(shè)計(jì)開(kāi)始。

如果您已經(jīng)對(duì)桌面尺寸3D打印設(shè)計(jì)有所了解，那么升級(jí)到大尺寸的第一步就是忘記大部分已知知識(shí)。大尺寸需要轉(zhuǎn)變思維方式，更加重視材料選擇和打印方向，這只是幾個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域。

以下可能是大規(guī)模設(shè)計(jì)與小規(guī)模設(shè)計(jì)的十大區(qū)別以及它們的重要性。

設(shè)計(jì)時(shí)考慮噴嘴尺寸

噴嘴尺寸在確定大幅面打印的整體質(zhì)量和強(qiáng)度方面起著至關(guān)重要的作用。設(shè)計(jì)時(shí)，考慮噴嘴直徑并創(chuàng)建該尺寸倍數(shù)的壁厚會(huì)很有幫助（例如，如果您使用2毫米噴嘴，壁厚應(yīng)為4毫米、6毫米或8毫米）。LFAM中的噴嘴尺寸可能有很大差異，從2毫米到24毫米不等。此外，確保彼此靠近的特征幾乎接觸但不重疊，以避免材料堆積。在規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)考慮噴嘴尺寸可獲得更強(qiáng)、更干凈的打印件，并減少技術(shù)問(wèn)題。

掌握自適應(yīng)層高和打印速度

在設(shè)計(jì)大規(guī)模打印時(shí)，平衡打印速度和細(xì)節(jié)至關(guān)重要。較大的層高（4毫米）可顯著縮短打印時(shí)間，但可能會(huì)犧牲精細(xì)細(xì)節(jié)，導(dǎo)致表面更粗糙或設(shè)計(jì)為需要打印后銑削的部件。另一方面，較小的層高（1-2毫米）可提供更精細(xì)的細(xì)節(jié)，但會(huì)大大延長(zhǎng)打印時(shí)間。一種方法是使用自適應(yīng)層高，其中較大的層應(yīng)用于細(xì)節(jié)較少的區(qū)域，較小的層應(yīng)用于復(fù)雜的部分。這種技術(shù)可讓您加快流程，而不會(huì)在最重要的質(zhì)量上妥協(xié)。

圖3：瑞典皮劃艇制造商Melker利用注入木材的廢料3D打印出了功能原型（來(lái)源：瑞典Melker）

避開(kāi)易彎曲的材料

大規(guī)模打印需要堅(jiān)固的材料，尤其是在生產(chǎn)功能性或結(jié)構(gòu)性部件時(shí)。增強(qiáng)材料（如玻璃纖維注入聚合物）可提供必要的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，防止彎曲或彎曲等問(wèn)題。對(duì)于非結(jié)構(gòu)性組件或原型，PLA等標(biāo)準(zhǔn)材料可能就足夠了，但可能非常易碎。應(yīng)始終考慮可持續(xù)性，因此請(qǐng)盡可能選擇可回收、可再利用或環(huán)保的材料。

簡(jiǎn)單的支撐可能不夠

當(dāng)為LFAM擴(kuò)大設(shè)計(jì)時(shí)，結(jié)構(gòu)必須支撐比小規(guī)模時(shí)大得多的重量。在小型打印機(jī)上工作良好的墻壁可能會(huì)在大型打印的額外壓力下彎曲。一個(gè)好的經(jīng)驗(yàn)法則是，根據(jù)材料的不同，墻壁厚度至少為5–10毫米。您還可以加入肋條和角撐板來(lái)加強(qiáng)區(qū)域，而不會(huì)增加太多重量。

圖4：荷蘭哈勒姆3D Makers Zone的機(jī)械臂大規(guī)模3D打?。▉?lái)源：3D Makers Zone）

重新考慮打印方向

在LFAM中，方向比在小規(guī)模3D打印中更為重要，因?yàn)榇笮痛蛴⊥ǔＰ枰嗟闹谓Y(jié)構(gòu)。盡量減少懸垂部分并策略性地旋轉(zhuǎn)模型可以減少對(duì)支撐的需求，因?yàn)橹螘?huì)消耗時(shí)間和材料。將懸垂角度保持在45度以下，并設(shè)計(jì)自支撐功能（例如倒角），以簡(jiǎn)化打印并最大限度地減少后處理。

機(jī)械臂3D打印機(jī)和可變角度打印床也可能使您能夠在一個(gè)方向開(kāi)始打印，然后調(diào)整到另一個(gè)角度。

以不同的方式設(shè)計(jì)以加快后處理速度

在LFAM中，支撐結(jié)構(gòu)必須設(shè)計(jì)得既堅(jiān)固又易于拆卸。使用格子狀的支撐物，既能有效支撐部件，又要重量輕。確保支撐物的位置經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)，以便于拆卸而不會(huì)損壞打印件。這在大型打印件中尤其重要，因?yàn)槭謩?dòng)拆卸會(huì)耗時(shí)費(fèi)力。然而，最終，最好的設(shè)計(jì)不需要支撐結(jié)構(gòu)，或者它們被整合到設(shè)計(jì)中。

注意加熱和冷卻陷阱

大規(guī)模打印更容易因冷卻不均勻而翹曲。物體越大，在整個(gè)過(guò)程中保持一致的熱條件就越重要。避免在設(shè)計(jì)中使用大平面，并力求壁厚均勻，以減少熱應(yīng)力。在加熱室中打印也有助于保持一致的溫度并防止與冷卻相關(guān)的變形。為了提高附著力，請(qǐng)使用加熱床并在構(gòu)建板上涂抹粘合劑噴霧、膠帶或紋理表面。對(duì)于較大的打印件，添加邊緣或筏板也有助于增加與床的接觸面積，從而降低抬起的風(fēng)險(xiǎn)。

CAD軟件難以處理大幅面設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)師還必須注意設(shè)備限制。標(biāo)準(zhǔn)桌面CAD軟件可能難以處理大型設(shè)計(jì)。相反，Autodesk Fusion 360和Rhino等高級(jí)工具可以處理大型復(fù)雜幾何圖形并準(zhǔn)備打印。當(dāng)設(shè)計(jì)超出打印機(jī)的構(gòu)建體積時(shí)，將模型分割成較小的部分至關(guān)重要，這些部分可以在打印后組裝而不會(huì)影響整體結(jié)構(gòu)。

防止微小缺陷變成巨大缺陷

小規(guī)模打印中的微小錯(cuò)誤可能會(huì)成為LFAM中的重大問(wèn)題。必須稍微增加公差（0.5-1毫米）以考慮材料行為和機(jī)器精度的潛在變化。定期校準(zhǔn)打印機(jī)至關(guān)重要，尤其是對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間打印。未能考慮材料或刀具路徑的輕微偏移可能會(huì)導(dǎo)致零件無(wú)法配合或需要過(guò)多的后處理才能對(duì)齊。如果需要嚴(yán)格的公差，請(qǐng)圍繞3D打印和銑削規(guī)劃您的設(shè)計(jì)。

組裝并非失敗：采用模塊化設(shè)計(jì)

由于打印機(jī)的尺寸限制，大多數(shù)大幅面打印件無(wú)法以單件形式制作。相反，設(shè)計(jì)應(yīng)分解為模塊化部件，這些部件可以單獨(dú)打印，然后組裝。結(jié)合定位銷或燕尾榫接頭等功能可確保各部件精確配合，使打印后組裝變得簡(jiǎn)單。模塊化設(shè)計(jì)還使運(yùn)輸和處理更加容易，尤其是對(duì)于非常大的組件。

三、大型3D打印的頂級(jí)設(shè)計(jì)策略

圖5：More Than Layers出品的Bobble Beads椅子特寫(xiě)（來(lái)源：More Than Layers）

在上一節(jié)中，您了解了主要原則，現(xiàn)在讓我們更深入地了解實(shí)際策略。這些是成功公司為確保最佳打印效果而遵循的設(shè)計(jì)實(shí)踐。

并非每種策略都適用于每種打印品，但如果您掌握將其融入到您的設(shè)計(jì)中，您將獲得更可靠、更實(shí)用的最終產(chǎn)品。

考慮刀具路徑而不是切片

在LFAM中，您的設(shè)計(jì)不僅僅關(guān)乎最終形狀，還關(guān)乎機(jī)器將如何構(gòu)建該形狀。這與小型FDM 3D打印的思維方式不同。專注于連續(xù)的刀具路徑以減少起始和停止點(diǎn)、避免缺陷并提高打印質(zhì)量。涉及許多起始和停止點(diǎn)的大規(guī)模打印可能會(huì)出現(xiàn)薄弱點(diǎn)或可見(jiàn)缺陷。避免這些問(wèn)題的一種方法是在設(shè)計(jì)時(shí)考慮連續(xù)的刀具路徑。規(guī)劃您的設(shè)計(jì)，使打印機(jī)能夠以平滑、不間斷的路徑移動(dòng)，從而最大限度地減少打印需要暫停和重新啟動(dòng)的次數(shù)。圓角和圓角有助于保持這種流暢性，減少缺陷并提高整體表面質(zhì)量。

拓?fù)鋬?yōu)化更為關(guān)鍵

LFAM面臨的一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)是保持零件的強(qiáng)度，同時(shí)又不讓它們太重或使用過(guò)多的材料。拓?fù)鋬?yōu)化是一種設(shè)計(jì)技術(shù)，它允許您在保持結(jié)構(gòu)完整性的同時(shí)去除不必要的材料。這種方法可以產(chǎn)生更高效、更有機(jī)的形狀，重量更輕、使用的材料更少、打印時(shí)間更短。通過(guò)將其納入您的設(shè)計(jì)工作流程，您可以確保最終的打印件既實(shí)用又經(jīng)濟(jì)高效。

以正確的方式設(shè)計(jì)靈活性

在大型打印件中創(chuàng)建靈活的特征可能很棘手，尤其是在使用本質(zhì)上剛性的材料時(shí)。為了增加靈活性，請(qǐng)考慮在特定部分使用TPU等柔性材料，或引入活動(dòng)鉸鏈或薄壁部分。這些特征使某些部件能夠彎曲或伸縮，同時(shí)保持設(shè)計(jì)的整體結(jié)構(gòu)完整性。這在諸如家具之類的應(yīng)用中尤其有用，因?yàn)槭孢m性和可用性可能需要一定程度的靈活性。

重新考慮您的填充策略以獲得更好的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

不要使用傳統(tǒng)的填充圖案（這通常很浪費(fèi)），而是考慮使用內(nèi)部肋條或格子結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。它們只在需要的地方提供支撐，加固關(guān)鍵區(qū)域而不會(huì)過(guò)度使用材料。這種策略在大型打印中特別有效，因?yàn)閮?nèi)部結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)強(qiáng)度和打印時(shí)間產(chǎn)生重大影響。內(nèi)部肋條允許您加固特定的應(yīng)力點(diǎn)，同時(shí)保持設(shè)計(jì)輕巧高效。

在進(jìn)行全尺寸打印之前，先測(cè)試大型設(shè)計(jì)的小部分。這有助于識(shí)別結(jié)構(gòu)完整性、材料收縮或翹曲的潛在問(wèn)題，并允許您在設(shè)計(jì)過(guò)程的早期進(jìn)行調(diào)整。

考慮混合制造（3D打印/CNC）以獲得最佳效果

LFAM通常需要大量的后處理才能獲得高質(zhì)量的成品?；旌现圃煸O(shè)置（將銑削與打印相結(jié)合）可以簡(jiǎn)化此過(guò)程。在AI-Build和Adaxis等軟件中，刀具路徑可以同時(shí)考慮加法和減法步驟來(lái)設(shè)計(jì)。為了準(zhǔn)備銑削，請(qǐng)?jiān)谥笠庸さ膮^(qū)域添加額外的材料（約2-4毫米），確保后處理有足夠的材料可供使用，而不會(huì)影響零件的最終尺寸。

四、大型設(shè)計(jì)+材料的可持續(xù)性

圖6：The New Raw通過(guò)機(jī)器人3D打印技術(shù)，利用海洋塑料廢物打印出限量版海灘家具系列（來(lái)源：The New Raw）

大幅面3D打印的一大吸引力在于它能夠利用塑料廢料和再生材料進(jìn)行3D打印。通過(guò)3D打印將廢料轉(zhuǎn)化為理想產(chǎn)品的活動(dòng)有很多?？煽诳蓸?lè)與希臘的一個(gè)小鎮(zhèn)合作，將塑料瓶回收制成海灘家具，日本收集塑料廢料來(lái)制作2020年奧運(yùn)會(huì)的領(lǐng)獎(jiǎng)臺(tái)，包裝公司利樂(lè)與3D打印公司Aectual合作，用飲料紙盒制作家具。

機(jī)械臂3D打印通常不使用長(zhǎng)絲進(jìn)行3D打印，而是選擇顆粒材料或再生塑料碎片。

選擇可回收或生物基材料以減少浪費(fèi)。使用拓?fù)鋬?yōu)化等設(shè)計(jì)技術(shù)來(lái)減少所需材料量并創(chuàng)建高效且環(huán)保的結(jié)構(gòu)。

隨著大規(guī)模3D打印的發(fā)展，可持續(xù)性成為一個(gè)重要因素，尤其是考慮到生產(chǎn)大型物體所需的材料量。以下是設(shè)計(jì)師將可持續(xù)性融入其工作流程的幾種主要方法。

材料選擇

以可持續(xù)性為理念進(jìn)行設(shè)計(jì)始于選擇合適的材料。對(duì)于LFAM，再生熱塑性塑料或生物基復(fù)合材料等選項(xiàng)有助于減少對(duì)環(huán)境的影響。例如，Beon3D提供一種可回收的聚丙烯材料，在耐用性和環(huán)保責(zé)任之間取得平衡，使其成為大規(guī)模打印的絕佳選擇。選擇對(duì)環(huán)境影響較小的材料有助于減少浪費(fèi)，LFAM中使用的許多材料可以在其生命周期后回收或重新利用。

設(shè)計(jì)以減少浪費(fèi)

設(shè)計(jì)師減少浪費(fèi)的關(guān)鍵方法之一是優(yōu)化設(shè)計(jì)本身。使用拓?fù)鋬?yōu)化，您可以僅將材料放置在結(jié)構(gòu)上必要的位置，從而減少所需的材料量。這有助于創(chuàng)建堅(jiān)固、輕便且打印效率高的部件。此外，盡可能設(shè)計(jì)具有自支撐功能的部件，以最大限度地減少對(duì)浪費(fèi)的支撐結(jié)構(gòu)的需求。

圖7：More Than Layers的Model.C3躺椅由Merel van Loon設(shè)計(jì)，為荷蘭哈勒姆的Club3提供（來(lái)源：More Than Layers）

閉環(huán)制造

考慮使用閉環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，這意味著打印中使用的材料可以重復(fù)使用或重新利用。在Model.C3休閑椅（如上圖所示）等項(xiàng)目中，材料的選擇不僅取決于其機(jī)械性能，還取決于其可回收性，以及其可重新融入未來(lái)生產(chǎn)周期的能力。這種方法支持循環(huán)經(jīng)濟(jì)，材料可以反復(fù)使用，從而減少整體環(huán)境影響。

能源效率

大規(guī)模打印過(guò)程中消耗的能量可能很大。為了減少能源消耗，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮效率，盡量縮短打印時(shí)間并優(yōu)化刀具路徑以減少不必要的移動(dòng)。選擇節(jié)能材料并在溫度穩(wěn)定的環(huán)境中打印也有助于降低打印過(guò)程的總體能耗。

編譯整理：ALL3DP