增材制造設(shè)計(jì)指南

與其他制造過程一樣，這是生產(chǎn)高質(zhì)量 3D 打印部件的最好的方式。

1. 最小特征尺寸

最小特征尺寸是指 3D 打印機(jī)可以準(zhǔn)確打印的物體的最小寬度或高度。 尖角、孔、突出文本和切口是最小尺寸打印中的關(guān)鍵特征。無論特征朝向哪個軸，通常都受到 3D 打印的技術(shù)及特定硬件（例如噴嘴尺寸）或機(jī)器精度的限制。

如果您的 3D 打印部件需要孔，最小直徑將取決于 3D 打印技術(shù)的不同因素。例如， SLS技術(shù)的3D 打印機(jī)，孔的直徑通常必須超過 1.5 毫米，以防止粉末卡在孔中。 對于 FFF ?3D 打印，最小孔徑主要取決于噴嘴尺寸和層高。

DfAM 的建議是尖角都該使用倒角或圓角以減少應(yīng)力。對尖銳邊緣應(yīng)用倒角和倒圓角可確保分散集中在設(shè)計(jì)中某一特定點(diǎn)上的收縮力。

2. 壁厚和層高

壁厚是指打印物體壁的厚度，它由被稱為壁線數(shù)的周長組成。最小壁厚取決于噴嘴尺寸的單個擠壓線（壁線數(shù)為 1）：它不得小于噴嘴直徑，一般略大于噴嘴直徑，通常為 1.2 倍。額外的壁線（例如內(nèi)壁）和填充物可以打印得比噴嘴直徑薄，但至少是噴嘴直徑的 60%。

決定最小壁厚的第二個因素是 3D 打印的形狀和預(yù)期用途。如果它的功能需要承重，重要的是使用具有更高壁線數(shù)的更厚的壁。如果對象是用于設(shè)計(jì)迭代或擬合檢查的原型，則使用較少線條的較薄壁可能就足夠了。壁越厚，打印物體所需的時(shí)間就越長，整體部件重量也會增加。

層高，即在 Z 軸上測量的每一層的厚度，也會影響 DfAM 選擇。雖然層高設(shè)置是在切片期間確定的，但您的設(shè)計(jì)可以通過計(jì)劃使用的設(shè)置來了解。例如，最小特征尺寸取決于層高，因此應(yīng)該避免設(shè)計(jì) 3D 打印機(jī)無法生產(chǎn)的特征。

層高取決于噴嘴直徑：高度必須小于噴嘴直徑，通常是 0.3 到 0.6 的系數(shù)。層高越高，打印速度越快，表面層結(jié)構(gòu)的外觀越粗糙。零件強(qiáng)度在一定程度上受到層間粘合的影響，并且強(qiáng)度會隨著層高的增加而略有增加。通常，較低的層高用于更精細(xì)、更精確的打印和更光滑的表面，而較高的層高有利于在表面光滑度不重要或可以通過后處理進(jìn)行管理來獲得更快的打印。

3.支撐結(jié)構(gòu)

雖然技術(shù)不是設(shè)計(jì)過程的一部分，但遵循 DfAM 原則可以避免支撐結(jié)構(gòu)，從而減少打印時(shí)間和材料使用，提高表面質(zhì)量。

支撐結(jié)構(gòu)是臨時(shí)結(jié)構(gòu)，有助于加固 3D 物體，防止它們在打印過程中倒塌，并提高其整體強(qiáng)度和耐用性。具有懸垂的 3D 模型或與底板接觸面積較小的元件在 3D 打印過程中需要支撐結(jié)構(gòu)。具有精細(xì)特征或低密度區(qū)域的部件可能需要支撐結(jié)構(gòu)以防止它們在 3D 打印過程中被損壞。但是，每種 3D 打印機(jī)和材料都有自己的支撐要求閾值；根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，垂直角度小于等于 50 度的零件不需要支撐。

支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為在打印過程后移除?？梢允褂门c打印相同的材料打印易碎支撐，并在打印完成后手動移除，或是用水溶性材料印刷的支撐物，印刷后可以溶解。這些通常更容易去除并產(chǎn)生更好的表面質(zhì)量。通過遵循 DfAM 懸垂和橋接指南（如下所述），您可以減少或完全避免打印支撐結(jié)構(gòu)的需要。

4.懸挑

懸垂是延伸到前一層之外而沒有任何支撐結(jié)構(gòu)的幾何形狀。如果懸垂太陡，通常超過 50°，則在不使用支撐結(jié)構(gòu)的情況下它會下垂或倒塌。

在為增材制造進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，您可以調(diào)整這些角度以保持在最大懸垂角度內(nèi)，從而避免需要支撐的懸垂。這樣做的好處有三：打印表面看起來更好，打印速度更快，材料使用少。要試驗(yàn)更高的最大懸垂角度，您可以更改此設(shè)置并減少自動生成的支撐。材料的選擇也會影響在沒有支撐的情況下可達(dá)到的最大懸垂角度。如果您的項(xiàng)目允許，您可以選擇一種可以承受更高懸垂角度的材料，以避免印刷支撐。

5.橋接

當(dāng)材料在半空中打印跨越兩個或多個其他不相連的部分而下方?jīng)]有打印層時(shí)，就會發(fā)生橋接。要成功橋接，材料必須能夠保持其重量以及模型本身的重量。橋的最大長度取決于材料和 3D 打印機(jī)。超出該限制，除非在下面打印支撐結(jié)構(gòu)，否則橋梁將下垂。 通過選擇橋接性能更好的材料，您可以在不改變設(shè)計(jì)的情況下避免印刷支撐。

如下圖所示，橋梁的質(zhì)量越長越好。 換句話說，超過某個（材料、機(jī)器和幾何形狀相關(guān)的）閾值，橋梁就會下垂。 下圖顯示了一張測試打印圖，展示了使用 PLA 燈絲使用 BigRep ONE 打印的各種橋長度。 在這里我們看到，當(dāng)長度超過 50 毫米時(shí)，橋梁質(zhì)量開始受到影響。此測試打印是對真實(shí) 3D 打印應(yīng)用程序的簡化，因此與此測試打印相比，您的 3D 打印可能需要更短的橋梁或支撐結(jié)構(gòu)。

6. 方向

零件方向是在切片期間確定的設(shè)置，但在設(shè)計(jì)階段考慮到此設(shè)置可以影響和改進(jìn)您的零件設(shè)計(jì)。通過更改打印機(jī)構(gòu)建體積內(nèi)零件的方向，您可以提高零件強(qiáng)度、縮短打印時(shí)間、提高表面質(zhì)量并避免 3D 打印支撐結(jié)構(gòu)。 對于更堅(jiān)固的部件，打印的方向應(yīng)使打印層垂直于將施加到部件的力的方向。 這是因?yàn)閷娱g粘合（每一層接觸下一層）是印刷品中最薄弱的部分。 通過將層垂直于打印部件必須承受的力，它會更不易斷裂。

部件方向可以通過減少行程移動（當(dāng)打印頭將擠出機(jī)移動到新位置而不進(jìn)行打印時(shí)）和減少對打印支撐的需求來影響整體打印時(shí)間。

表面質(zhì)量在兩個方面受到零件方向的負(fù)面影響：支撐結(jié)構(gòu)和階梯效應(yīng)。 支撐結(jié)構(gòu)會影響 3D 打印的表面質(zhì)量，表面質(zhì)量可能會顯得更粗糙、更不規(guī)則，并且可能會在去除支撐的過程中損壞。 當(dāng)打印層創(chuàng)建的脊在 3D 打印件上更加明顯時(shí)，就會出現(xiàn)階梯效應(yīng)，如右圖所示。 這可以通過幾種方式減少，使打印表面看起來更光滑。 首先，可以降低層高，但這會增加打印時(shí)間。 其次，可以對零件進(jìn)行定向，使各層垂直于 3D 打印件的表面構(gòu)建。 如果特定表面更光滑很重要，則打印的方向應(yīng)使表面盡可能垂直（相對于打印床）。

7.公差

在增材制造中，公差衡量與原始 3D 模型的可接受或預(yù)期的偏差量。 換句話說，它是 3D 打印與數(shù)字模型的接近程度。在設(shè)計(jì) 3D 打印零件時(shí)必須考慮公差，因?yàn)闃?gòu)建過程可能會引入誤差。

如果支撐結(jié)構(gòu)在去除支撐后留下過于粗糙或扭曲的打印表面，則會影響公差。 理解公差是必不可少的，因?yàn)樗鼈儧Q定了零件的配合程度和功能是否符合預(yù)期。 例如，松散的公差可能會導(dǎo)致 3D 打印部件在安裝到另一個結(jié)構(gòu)中時(shí)松動和搖晃，而緊的公差可能會導(dǎo)致部件難以組裝或產(chǎn)生過度磨損。

3D 打印可實(shí)現(xiàn)的公差取決于 3D 打印機(jī)本身、其組件和所用材料的精度。 當(dāng) 3D 打印機(jī)未正確校準(zhǔn)或在打印過程中振動太大時(shí)，準(zhǔn)確的公差可能會受到負(fù)面影響。 公差也由噴嘴直徑和層高決定。 0.6 毫米噴嘴將能夠?qū)崿F(xiàn)比 2 毫米噴嘴更小的公差。 層高越高，表面分辨率越粗糙，這也會影響 3D 打印部件的可實(shí)現(xiàn)公差。

8.填充

Infill 是一種 3D 打印的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，通常是格子圖案，用于填充 3D 打印的內(nèi)部空腔。 填充物的類型和密度在切片中確定，但在最初設(shè)計(jì)零件時(shí)了解需要什么填充物可能很有用。

填充有兩個功能：它增加了零件的強(qiáng)度，并且是支撐某些幾何形狀的頂層所必需的。 填充可以是各種圖案，如網(wǎng)格、三角形或螺旋形，其密度由 0-100% 的空白空間與實(shí)體空間的切片設(shè)置決定。 使用 0% 填充，零件會更輕，打印速度更快，但零件會更弱。 實(shí)際上從來沒有必要使用 100% 填充進(jìn)行打印，因?yàn)樘畛湓黾拥牧慵?qiáng)化效果在超過一定百分比時(shí)通?？梢院雎圆挥?jì)。 填充的第二個功能是支撐頂層，這是一個取決于零件幾何形狀的因素。 如果頂部區(qū)域小于通過橋接可以達(dá)到的距離，則可能不需要填充，除非零件強(qiáng)度是一個因素。 實(shí)際上，大多數(shù) 3D 打印都需要填充物來支撐頂層，而足夠頂層所需的填充密度取決于頂層的數(shù)量、機(jī)器的能力和使用的材料。 如果 3D 打印只有一個頂層，打印的填充墻之間的空間可能會下垂，但如果有額外的層，最終的頂層可能會補(bǔ)償并按預(yù)期顯示。

正確的設(shè)置取決于您的項(xiàng)目要求。如果您正在 3D 打印低強(qiáng)度的對象，則可以使用較低的填充設(shè)置來節(jié)省時(shí)間。在為增材制造設(shè)計(jì)時(shí)，填充物應(yīng)盡可能堅(jiān)固，同時(shí)使用最少的材料。 這有助于減輕物體的重量和打印的總成本。

如果您的設(shè)計(jì)允許，您可以更改零件的幾何形狀以最大限度地減少填充需求或完全避免填充。 這可以帶來更快的 3D 打印速度、更好的表面質(zhì)量并減少材料使用。

測試和驗(yàn)證您的設(shè)計(jì)

遵循 DAM 原則后，可以在打印之前或之后評估您的設(shè)計(jì)是否成功。

DfAM 軟件

面向制造的設(shè)計(jì)軟件（如 DFM Pro）可驗(yàn)證是否遵循了增材制造的設(shè)計(jì)規(guī)則。該軟件采用 3D 部件，識別可能的制造問題，并提出修復(fù)建議。可以應(yīng)用自動修復(fù)。

有限元分析軟件

FEA（有限元分析）軟件可用于在打印前分析設(shè)計(jì)的機(jī)械特性。您可以使用 DfAM 指南、AI 和/或?qū)Ｓ密浖哪脑O(shè)計(jì)，以改進(jìn)數(shù)字 3D 模型中的參數(shù)。

試印

假設(shè)您的 3D 打印機(jī)已校準(zhǔn)且運(yùn)行正常，您可以 3D 打印您的零件以評估您的設(shè)計(jì)是否成功并根據(jù)需要進(jìn)行迭代。輕松打印測試、評估、重新設(shè)計(jì)和重新打印的能力是增材制造的一大優(yōu)勢。

增材制造設(shè)計(jì)的局限性

盡管增材制造設(shè)計(jì)有很多好處，但它對特定 3D 打印機(jī)、材料或 3D 打印應(yīng)用程序可以實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)仍有一些限制。 雖然 DfAM 指南可以帶來更好的 3D 打印效果，但它們無法克服零件整體固有設(shè)計(jì)缺陷。

DfAM 的一個限制是人為錯誤。 一方面，專業(yè)知識可以極大地提高質(zhì)量和結(jié)果，但如果不使用算法或人工智能，經(jīng)驗(yàn)所能達(dá)到的效果就會受到限制，尤其是在新情況下。 迭代設(shè)計(jì)和重印的需要會增加成本并延遲時(shí)間表。 當(dāng)設(shè)計(jì)迭代的時(shí)間有限時(shí)，分析軟件（如 DFM 或 FEA）和硬件（3D 掃描儀）可以減少出錯的可能性，但是，這些可能需要額外的工具和軟件能力。

DfAM 的一些批評者認(rèn)為，嚴(yán)格的設(shè)計(jì)規(guī)則會導(dǎo)致原創(chuàng)或創(chuàng)新設(shè)計(jì)減少，風(fēng)格變得更加同質(zhì)化。 其他人反駁說，使用增材制造開辟了一個設(shè)計(jì)可能性的世界，這是其他生產(chǎn)方法無法實(shí)現(xiàn)的。

結(jié)論

DfAM 方法是一套功能強(qiáng)大的設(shè)計(jì)工具，可以改善增材制造產(chǎn)品和零件的最終結(jié)果。DfAM 對于設(shè)計(jì) 3D 打印模型時(shí)的效率和一致性至關(guān)重要，對于工業(yè) 3D 打印尤其重要，它通過使產(chǎn)品更輕、更堅(jiān)固來提高產(chǎn)品性能。

在許多情況下，DfAM 還有助于審美選擇，從而生成美觀、優(yōu)質(zhì)的 3D 打印件。DfAM 是一套不斷發(fā)展的規(guī)則和最佳實(shí)踐，可以針對特定的設(shè)計(jì)任務(wù)和 3D 打印技術(shù)的發(fā)展對其進(jìn)行修改。

馬路科技（RATC）成立于1996年，是以三維測量、三維掃描、逆向工程以及三維打印等先進(jìn)技術(shù)為導(dǎo)向的科技公司，客戶主要來自汽車、航空航天以及消費(fèi)品等產(chǎn)業(yè)。馬路科技共有八個服務(wù)點(diǎn)，有超過200名專家提供在地專業(yè)技術(shù)支持及服務(wù)。?