如何设计更好的大型3D打印

魔猴君  知识堂   168天前

本文将向您介绍大型3D打印的基本设计技巧，涵盖选择正确材料、优化打印方向以及微调设计以获得最佳效果等关键方面。无论您是首次探索大型3D打印还是旨在改进现有工作流程，您都可以找到技巧。

一、什么是大规模3D打印？

图1：荷兰哈勒姆3D Makers Zone的机械臂大规模3D打印（来源：3D Makers Zone）

大规模3D打印，通常称为大幅面增材制造(LFAM)，涉及能够生产任何尺寸大于1米（3英尺）的零件的系统。

虽然有多种技术可用于生产这种规模的部件，包括熔融沉积成型(FDM)、激光粉末床熔合(LPBF)、电弧增材制造(WAAM)和一些树脂技术，但本指南重点介绍基于机械臂挤压的方法，这些方法用于建筑、汽车、家具和艺术等行业的大型项目。这些打印机不使用标准切片软件，而是拥有自己独特的刀具路径生成系统。

机械臂3D打印机与桌面3D打印机有很大不同，不仅在尺寸上，而且在技术复杂性、材料处理和整体工作流程上也有很大不同。事实上，人们普遍误以为零件和模型可以简单地按比例放大以用于LFMA。这就像家庭厨师和餐厅厨师：你的设备、材料和流程需要完全不同。

LFAM的快速崛起是由技术进步和市场需求共同推动的。现代大幅面打印机可以处理标准热塑性塑料以外的各种材料，包括混凝土、复合材料和纤维增强塑料。大规模制造更大、功能性部件的能力为应用开辟了新的可能性，为从建筑到制造业的各个领域提供了速度、定制和可持续的解决方案。定制建筑结构和汽车原型等项目只是LFAM可以实现的开始。

尽管机器、材料和软件都已经进步，但LFAM更广泛应用的一个障碍是如何为其设计零件。在这里，我将指导您完成必要的设计策略、材料选择和工作流程优化，为从小规模过渡到大幅面打印的设计师提供实用指导。

二、LFAM中的10个最重要的考虑因素

图2：荷兰哈勒姆3D Makers Zone的机械臂大规模3D打印（来源：3D Makers Zone）

现在您已经了解了大幅面3D打印广泛应用的几个示例，现在是时候了解一下它是如何实现的了，这一切都从设计开始。

如果您已经对桌面尺寸3D打印设计有所了解，那么升级到大尺寸的第一步就是忘记大部分已知知识。大尺寸需要转变思维方式，更加重视材料选择和打印方向，这只是几个关键领域。

以下可能是大规模设计与小规模设计的十大区别以及它们的重要性。

设计时考虑喷嘴尺寸

喷嘴尺寸在确定大幅面打印的整体质量和强度方面起着至关重要的作用。设计时，考虑喷嘴直径并创建该尺寸倍数的壁厚会很有帮助（例如，如果您使用2毫米喷嘴，壁厚应为4毫米、6毫米或8毫米）。LFAM中的喷嘴尺寸可能有很大差异，从2毫米到24毫米不等。此外，确保彼此靠近的特征几乎接触但不重叠，以避免材料堆积。在规划设计时考虑喷嘴尺寸可获得更强、更干净的打印件，并减少技术问题。

掌握自适应层高和打印速度

在设计大规模打印时，平衡打印速度和细节至关重要。较大的层高（4毫米）可显著缩短打印时间，但可能会牺牲精细细节，导致表面更粗糙或设计为需要打印后铣削的部件。另一方面，较小的层高（1-2毫米）可提供更精细的细节，但会大大延长打印时间。一种方法是使用自适应层高，其中较大的层应用于细节较少的区域，较小的层应用于复杂的部分。这种技术可让您加快流程，而不会在最重要的质量上妥协。

图3：瑞典皮划艇制造商Melker利用注入木材的废料3D打印出了功能原型（来源：瑞典Melker）

避开易弯曲的材料

大规模打印需要坚固的材料，尤其是在生产功能性或结构性部件时。增强材料（如玻璃纤维注入聚合物）可提供必要的强度和稳定性，防止弯曲或弯曲等问题。对于非结构性组件或原型，PLA等标准材料可能就足够了，但可能非常易碎。应始终考虑可持续性，因此请尽可能选择可回收、可再利用或环保的材料。

简单的支撑可能不够

当为LFAM扩大设计时，结构必须支撑比小规模时大得多的重量。在小型打印机上工作良好的墙壁可能会在大型打印的额外压力下弯曲。一个好的经验法则是，根据材料的不同，墙壁厚度至少为5–10毫米。您还可以加入肋条和角撑板来加强区域，而不会增加太多重量。

图4：荷兰哈勒姆3D Makers Zone的机械臂大规模3D打印（来源：3D Makers Zone）

重新考虑打印方向

在LFAM中，方向比在小规模3D打印中更为重要，因为大型打印通常需要更多的支撑结构。尽量减少悬垂部分并策略性地旋转模型可以减少对支撑的需求，因为支撑会消耗时间和材料。将悬垂角度保持在45度以下，并设计自支撑功能（例如倒角），以简化打印并最大限度地减少后处理。

机械臂3D打印机和可变角度打印床也可能使您能够在一个方向开始打印，然后调整到另一个角度。

以不同的方式设计以加快后处理速度

在LFAM中，支撑结构必须设计得既坚固又易于拆卸。使用格子状的支撑物，既能有效支撑部件，又要重量轻。确保支撑物的位置经过精心设计，以便于拆卸而不会损坏打印件。这在大型打印件中尤其重要，因为手动拆卸会耗时费力。然而，最终，最好的设计不需要支撑结构，或者它们被整合到设计中。

注意加热和冷却陷阱

大规模打印更容易因冷却不均匀而翘曲。物体越大，在整个过程中保持一致的热条件就越重要。避免在设计中使用大平面，并力求壁厚均匀，以减少热应力。在加热室中打印也有助于保持一致的温度并防止与冷却相关的变形。为了提高附着力，请使用加热床并在构建板上涂抹粘合剂喷雾、胶带或纹理表面。对于较大的打印件，添加边缘或筏板也有助于增加与床的接触面积，从而降低抬起的风险。

CAD软件难以处理大幅面设计

设计师还必须注意设备限制。标准桌面CAD软件可能难以处理大型设计。相反，Autodesk Fusion 360和Rhino等高级工具可以处理大型复杂几何图形并准备打印。当设计超出打印机的构建体积时，将模型分割成较小的部分至关重要，这些部分可以在打印后组装而不会影响整体结构。

防止微小缺陷变成巨大缺陷

小规模打印中的微小错误可能会成为LFAM中的重大问题。必须稍微增加公差（0.5-1毫米）以考虑材料行为和机器精度的潜在变化。定期校准打印机至关重要，尤其是对于长时间打印。未能考虑材料或刀具路径的轻微偏移可能会导致零件无法配合或需要过多的后处理才能对齐。如果需要严格的公差，请围绕3D打印和铣削规划您的设计。

组装并非失败：采用模块化设计

由于打印机的尺寸限制，大多数大幅面打印件无法以单件形式制作。相反，设计应分解为模块化部件，这些部件可以单独打印，然后组装。结合定位销或燕尾榫接头等功能可确保各部件精确配合，使打印后组装变得简单。模块化设计还使运输和处理更加容易，尤其是对于非常大的组件。

三、大型3D打印的顶级设计策略

图5：More Than Layers出品的Bobble Beads椅子特写（来源：More Than Layers）

在上一节中，您了解了主要原则，现在让我们更深入地了解实际策略。这些是成功公司为确保最佳打印效果而遵循的设计实践。

并非每种策略都适用于每种打印品，但如果您掌握将其融入到您的设计中，您将获得更可靠、更实用的最终产品。

考虑刀具路径而不是切片

在LFAM中，您的设计不仅仅关乎最终形状，还关乎机器将如何构建该形状。这与小型FDM 3D打印的思维方式不同。专注于连续的刀具路径以减少起始和停止点、避免缺陷并提高打印质量。涉及许多起始和停止点的大规模打印可能会出现薄弱点或可见缺陷。避免这些问题的一种方法是在设计时考虑连续的刀具路径。规划您的设计，使打印机能够以平滑、不间断的路径移动，从而最大限度地减少打印需要暂停和重新启动的次数。圆角和圆角有助于保持这种流畅性，减少缺陷并提高整体表面质量。

拓扑优化更为关键

LFAM面临的一个关键挑战是保持零件的强度，同时又不让它们太重或使用过多的材料。拓扑优化是一种设计技术，它允许您在保持结构完整性的同时去除不必要的材料。这种方法可以产生更高效、更有机的形状，重量更轻、使用的材料更少、打印时间更短。通过将其纳入您的设计工作流程，您可以确保最终的打印件既实用又经济高效。

以正确的方式设计灵活性

在大型打印件中创建灵活的特征可能很棘手，尤其是在使用本质上刚性的材料时。为了增加灵活性，请考虑在特定部分使用TPU等柔性材料，或引入活动铰链或薄壁部分。这些特征使某些部件能够弯曲或伸缩，同时保持设计的整体结构完整性。这在诸如家具之类的应用中尤其有用，因为舒适性和可用性可能需要一定程度的灵活性。

重新考虑您的填充策略以获得更好的内部结构

不要使用传统的填充图案（这通常很浪费），而是考虑使用内部肋条或格子结构进行设计。它们只在需要的地方提供支撑，加固关键区域而不会过度使用材料。这种策略在大型打印中特别有效，因为内部结构会对强度和打印时间产生重大影响。内部肋条允许您加固特定的应力点，同时保持设计轻巧高效。

在进行全尺寸打印之前，先测试大型设计的小部分。这有助于识别结构完整性、材料收缩或翘曲的潜在问题，并允许您在设计过程的早期进行调整。

考虑混合制造（3D打印/CNC）以获得最佳效果

LFAM通常需要大量的后处理才能获得高质量的成品。混合制造设置（将铣削与打印相结合）可以简化此过程。在AI-Build和Adaxis等软件中，刀具路径可以同时考虑加法和减法步骤来设计。为了准备铣削，请在之后要加工的区域添加额外的材料（约2-4毫米），确保后处理有足够的材料可供使用，而不会影响零件的最终尺寸。

四、大型设计+材料的可持续性

图6：The New Raw通过机器人3D打印技术，利用海洋塑料废物打印出限量版海滩家具系列（来源：The New Raw）

大幅面3D打印的一大吸引力在于它能够利用塑料废料和再生材料进行3D打印。通过3D打印将废料转化为理想产品的活动有很多。可口可乐与希腊的一个小镇合作，将塑料瓶回收制成海滩家具，日本收集塑料废料来制作2020年奥运会的领奖台，包装公司利乐与3D打印公司Aectual合作，用饮料纸盒制作家具。

机械臂3D打印通常不使用长丝进行3D打印，而是选择颗粒材料或再生塑料碎片。

选择可回收或生物基材料以减少浪费。使用拓扑优化等设计技术来减少所需材料量并创建高效且环保的结构。

随着大规模3D打印的发展，可持续性成为一个重要因素，尤其是考虑到生产大型物体所需的材料量。以下是设计师将可持续性融入其工作流程的几种主要方法。

材料选择

以可持续性为理念进行设计始于选择合适的材料。对于LFAM，再生热塑性塑料或生物基复合材料等选项有助于减少对环境的影响。例如，Beon3D提供一种可回收的聚丙烯材料，在耐用性和环保责任之间取得平衡，使其成为大规模打印的绝佳选择。选择对环境影响较小的材料有助于减少浪费，LFAM中使用的许多材料可以在其生命周期后回收或重新利用。

设计以减少浪费

设计师减少浪费的关键方法之一是优化设计本身。使用拓扑优化，您可以仅将材料放置在结构上必要的位置，从而减少所需的材料量。这有助于创建坚固、轻便且打印效率高的部件。此外，尽可能设计具有自支撑功能的部件，以最大限度地减少对浪费的支撑结构的需求。

图7：More Than Layers的Model.C3躺椅由Merel van Loon设计，为荷兰哈勒姆的Club3提供（来源：More Than Layers）

闭环制造

考虑使用闭环系统进行设计，这意味着打印中使用的材料可以重复使用或重新利用。在Model.C3休闲椅（如上图所示）等项目中，材料的选择不仅取决于其机械性能，还取决于其可回收性，以及其可重新融入未来生产周期的能力。这种方法支持循环经济，材料可以反复使用，从而减少整体环境影响。

能源效率

大规模打印过程中消耗的能量可能很大。为了减少能源消耗，设计时应考虑效率，尽量缩短打印时间并优化刀具路径以减少不必要的移动。选择节能材料并在温度稳定的环境中打印也有助于降低打印过程的总体能耗。

编译整理：ALL3DP