如何設計更好的大型3D打印
魔猴君 知識堂 31天前
本文將向您介紹大型3D打印的基本設計技巧，涵蓋選擇正確材料、優化打印方向以及微調設計以獲得最佳效果等關鍵方面。無論您是首次探索大型3D打印還是旨在改進現有工作流程，您都可以找到技巧。
一、什么是大規模3D打印？
圖1：荷蘭哈勒姆3D Makers Zone的機械臂大規模3D打印（來源：3D Makers Zone）
大規模3D打印，通常稱為大幅面增材制造(LFAM)，涉及能夠生產任何尺寸大于1米（3英尺）的零件的系統。
雖然有多種技術可用于生產這種規模的部件，包括熔融沉積成型(FDM)、激光粉末床熔合(LPBF)、電弧增材制造(WAAM)和一些樹脂技術，但本指南重點介紹基于機械臂擠壓的方法，這些方法用于建筑、汽車、家具和藝術等行業的大型項目。這些打印機不使用標準切片軟件，而是擁有自己獨特的刀具路徑生成系統。
機械臂3D打印機與桌面3D打印機有很大不同，不僅在尺寸上，而且在技術復雜性、材料處理和整體工作流程上也有很大不同。事實上，人們普遍誤以為零件和模型可以簡單地按比例放大以用于LFMA。這就像家庭廚師和餐廳廚師：你的設備、材料和流程需要完全不同。
LFAM的快速崛起是由技術進步和市場需求共同推動的。現代大幅面打印機可以處理標準熱塑性塑料以外的各種材料，包括混凝土、復合材料和纖維增強塑料。大規模制造更大、功能性部件的能力為應用開辟了新的可能性，為從建筑到制造業的各個領域提供了速度、定制和可持續的解決方案。定制建筑結構和汽車原型等項目只是LFAM可以實現的開始。
盡管機器、材料和軟件都已經進步，但LFAM更廣泛應用的一個障礙是如何為其設計零件。在這里，我將指導您完成必要的設計策略、材料選擇和工作流程優化，為從小規模過渡到大幅面打印的設計師提供實用指導。
二、LFAM中的10個最重要的考慮因素
圖2：荷蘭哈勒姆3D Makers Zone的機械臂大規模3D打印（來源：3D Makers Zone）
現在您已經了解了大幅面3D打印廣泛應用的幾個示例，現在是時候了解一下它是如何實現的了，這一切都從設計開始。
如果您已經對桌面尺寸3D打印設計有所了解，那么升級到大尺寸的第一步就是忘記大部分已知知識。大尺寸需要轉變思維方式，更加重視材料選擇和打印方向，這只是幾個關鍵領域。
以下可能是大規模設計與小規模設計的十大區別以及它們的重要性。
設計時考慮噴嘴尺寸
噴嘴尺寸在確定大幅面打印的整體質量和強度方面起著至關重要的作用。設計時，考慮噴嘴直徑并創建該尺寸倍數的壁厚會很有幫助（例如，如果您使用2毫米噴嘴，壁厚應為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。在規劃設計時考慮噴嘴尺寸可獲得更強、更干凈的打印件，并減少技術問題。
掌握自適應層高和打印速度
在設計大規模打印時，平衡打印速度和細節至關重要。較大的層高（4毫米）可顯著縮短打印時間，但可能會犧牲精細細節，導致表面更粗糙或設計為需要打印后銑削的部件。另一方面，較小的層高（1-2毫米）可提供更精細的細節，但會大大延長打印時間。一種方法是使用自適應層高，其中較大的層應用于細節較少的區域，較小的層應用于復雜的部分。這種技術可讓您加快流程，而不會在最重要的質量上妥協。
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（來源：瑞典Melker）
避開易彎曲的材料
大規模打印需要堅固的材料，尤其是在生產功能性或結構性部件時。增強材料（如玻璃纖維注入聚合物）可提供必要的強度和穩定性，防止彎曲或彎曲等問題。對于非結構性組件或原型，PLA等標準材料可能就足夠了，但可能非常易碎。應始終考慮可持續性，因此請盡可能選擇可回收、可再利用或環保的材料。
簡單的支撐可能不夠
當為LFAM擴大設計時，結構必須支撐比小規模時大得多的重量。在小型打印機上工作良好的墻壁可能會在大型打印的額外壓力下彎曲。一個好的經驗法則是，根據材料的不同，墻壁厚度至少為5–10毫米。您還可以加入肋條和角撐板來加強區域，而不會增加太多重量。
圖4：荷蘭哈勒姆3D Makers Zone的機械臂大規模3D打印（來源：3D Makers Zone）
重新考慮打印方向
在LFAM中，方向比在小規模3D打印中更為重要，因為大型打印通常需要更多的支撐結構。盡量減少懸垂部分并策略性地旋轉模型可以減少對支撐的需求，因為支撐會消耗時間和材料。將懸垂角度保持在45度以下，并設計自支撐功能（例如倒角），以簡化打印并最大限度地減少后處理。
機械臂3D打印機和可變角度打印床也可能使您能夠在一個方向開始打印，然后調整到另一個角度。
以不同的方式設計以加快后處理速度
在LFAM中，支撐結構必須設計得既堅固又易于拆卸。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過精心設計，以便于拆卸而不會損壞打印件。這在大型打印件中尤其重要，因為手動拆卸會耗時費力。然而，最終，最好的設計不需要支撐結構，或者它們被整合到設計中。
注意加熱和冷卻陷阱
大規模打印更容易因冷卻不均勻而翹曲。物體越大，在整個過程中保持一致的熱條件就越重要。避免在設計中使用大平面，并力求壁厚均勻，以減少熱應力。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的變形。為了提高附著力，請使用加熱床并在構建板上涂抹粘合劑噴霧、膠帶或紋理表面。對于較大的打印件，添加邊緣或筏板也有助于增加與床的接觸面積，從而降低抬起的風險。
CAD軟件難以處理大幅面設計
設計師還必須注意設備限制。標準桌面CAD軟件可能難以處理大型設計。相反，Autodesk Fusion 360和Rhino等高級工具可以處理大型復雜幾何圖形并準備打印。當設計超出打印機的構建體積時，將模型分割成較小的部分至關重要，這些部分可以在打印后組裝而不會影響整體結構。
防止微小缺陷變成巨大缺陷
小規模打印中的微小錯誤可能會成為LFAM中的重大問題。必須稍微增加公差（0.5-1毫米）以考慮材料行為和機器精度的潛在變化。定期校準打印機至關重要，尤其是對于長時間打印。未能考慮材料或刀具路徑的輕微偏移可能會導致零件無法配合或需要過多的后處理才能對齊。如果需要嚴格的公差，請圍繞3D打印和銑削規劃您的設計。
組裝并非失敗：采用模塊化設計
由于打印機的尺寸限制，大多數大幅面打印件無法以單件形式制作。相反，設計應分解為模塊化部件，這些部件可以單獨打印，然后組裝。結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單。模塊化設計還使運輸和處理更加容易，尤其是對于非常大的組件。
三、大型3D打印的頂級設計策略
圖5：More Than Layers出品的Bobble Beads椅子特寫（來源：More Than Layers）
在上一節中，您了解了主要原則，現在讓我們更深入地了解實際策略。這些是成功公司為確保最佳打印效果而遵循的設計實踐。
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計中，您將獲得更可靠、更實用的最終產品。
考慮刀具路徑而不是切片
在LFAM中，您的設計不僅僅關乎最終形狀，還關乎機器將如何構建該形狀。這與小型FDM 3D打印的思維方式不同。專注于連續的刀具路徑以減少起始和停止點、避免缺陷并提高打印質量。涉及許多起始和停止點的大規模打印可能會出現薄弱點或可見缺陷。避免這些問題的一種方法是在設計時考慮連續的刀具路徑。規劃您的設計，使打印機能夠以平滑、不間斷的路徑移動，從而最大限度地減少打印需要暫停和重新啟動的次數。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量。
拓撲優化更為關鍵
LFAM面臨的一個關鍵挑戰是保持零件的強度，同時又不讓它們太重或使用過多的材料。拓撲優化是一種設計技術，它允許您在保持結構完整性的同時去除不必要的材料。這種方法可以產生更高效、更有機的形狀，重量更輕、使用的材料更少、打印時間更短。通過將其納入您的設計工作流程，您可以確保最終的打印件既實用又經濟高效。
以正確的方式設計靈活性
在大型打印件中創建靈活的特征可能很棘手，尤其是在使用本質上剛性的材料時。為了增加靈活性，請考慮在特定部分使用TPU等柔性材料，或引入活動鉸鏈或薄壁部分。這些特征使某些部件能夠彎曲或伸縮，同時保持設計的整體結構完整性。這在諸如家具之類的應用中尤其有用，因為舒適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部結構
不要使用傳統的填充圖案（這通常很浪費），而是考慮使用內部肋條或格子結構進行設計。它們只在需要的地方提供支撐，加固關鍵區域而不會過度使用材料。這種策略在大型打印中特別有效，因為內部結構會對強度和打印時間產生重大影響。內部肋條允許您加固特定的應力點，同時保持設計輕巧高效。
在進行全尺寸打印之前，先測試大型設計的小部分。這有助于識別結構完整性、材料收縮或翹曲的潛在問題，并允許您在設計過程的早期進行調整。
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量的成品。混合制造設置（將銑削與打印相結合）可以簡化此過程。在AI-Build和Adaxis等軟件中，刀具路徑可以同時考慮加法和減法步驟來設計。為了準備銑削，請在之后要加工的區域添加額外的材料（約2-4毫米），確保后處理有足夠的材料可供使用，而不會影響零件的最終尺寸。
四、大型設計+材料的可持續性
圖6：The New Raw通過機器人3D打印技術，利用海洋塑料廢物打印出限量版海灘家具系列（來源：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行3D打印。通過3D打印將廢料轉化為理想產品的活動有很多。可口可樂與希臘的一個小鎮合作，將塑料瓶回收制成海灘家具，日本收集塑料廢料來制作2020年奧運會的領獎臺，包裝公司利樂與3D打印公司Aectual合作，用飲料紙盒制作家具。
機械臂3D打印通常不使用長絲進行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。使用拓撲優化等設計技術來減少所需材料量并創建高效且環保的結構。
隨著大規模3D打印的發展，可持續性成為一個重要因素，尤其是考慮到生產大型物體所需的材料量。以下是設計師將可持續性融入其工作流程的幾種主要方法。
材料選擇
以可持續性為理念進行設計始于選擇合適的材料。對于LFAM，再生熱塑性塑料或生物基復合材料等選項有助于減少對環境的影響。例如，Beon3D提供一種可回收的聚丙烯材料，在耐用性和環保責任之間取得平衡，使其成為大規模打印的絕佳選擇。選擇對環境影響較小的材料有助于減少浪費，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。
設計以減少浪費
設計師減少浪費的關鍵方法之一是優化設計本身。使用拓撲優化，您可以僅將材料放置在結構上必要的位置，從而減少所需的材料量。這有助于創建堅固、輕便且打印效率高的部件。此外，盡可能設計具有自支撐功能的部件，以最大限度地減少對浪費的支撐結構的需求。
圖7：More Than Layers的Model.C3躺椅由Merel van Loon設計，為荷蘭哈勒姆的Club3提供（來源：More Than Layers）
閉環制造
考慮使用閉環系統進行設計，這意味著打印中使用的材料可以重復使用或重新利用。在Model.C3休閑椅（如上圖所示）等項目中，材料的選擇不僅取決于其機械性能，還取決于其可回收性，以及其可重新融入未來生產周期的能力。這種方法支持循環經濟，材料可以反復使用，從而減少整體環境影響。
能源效率
大規模打印過程中消耗的能量可能很大。為了減少能源消耗，設計時應考慮效率，盡量縮短打印時間并優化刀具路徑以減少不必要的移動。選擇節能材料并在溫度穩定的環境中打印也有助于降低打印過程的總體能耗。
編譯整理：ALL3DP
