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如何設(shè)計更好的大型3D打印

魔猴君  知識堂   73天前

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本文將向您介紹大型3D打印的基本設(shè)計技巧,涵蓋選擇正確材料、優(yōu)化打印方向以及微調(diào)設(shè)計以獲得最佳效果等關(guān)鍵方面。無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打印?


1:荷蘭哈勒姆3D Makers Zone的機(jī)械臂大規(guī)模3D打?。▉碓矗?D 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)和一些樹脂技術(shù),但本指南重點介紹基于機(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(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)步和市場需求共同推動的?,F(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)用開辟了新的可能性,為從建筑到制造業(yè)的各個領(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)和汽車原型等項目只是LFAM可以實現(xiàn)的開始。

盡管機(jī)器、材料和軟件都已經(jīng)進(jìn)步,但LFAM更廣泛應(yīng)用的一個障礙是如何為其設(shè)計零件。在這里,我將指導(dǎo)您完成必要的設(shè)計策略、材料選擇和工作流程優(yōu)化,為從小規(guī)模過渡到大幅面打印的設(shè)計師提供實用指導(dǎo)。

二、LFAM中的10個最重要的考慮因素


2:荷蘭哈勒姆3D Makers Zone的機(jī)械臂大規(guī)模3D打印(來源:3D Makers Zone)

現(xiàn)在您已經(jīng)了解了大幅面3D打印廣泛應(yīng)用的幾個示例,現(xiàn)在是時候了解一下它是如何實現(xiàn)的了,這一切都從設(shè)計開始。

如果您已經(jīng)對桌面尺寸3D打印設(shè)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(zhuǎn)變思維方式,更加重視材料選擇和打印方向,這只是幾個關(guān)鍵領(lǐng)域。

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

設(shè)計時考慮噴嘴尺寸

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)計時,考慮噴嘴直徑并創(chuàng)建該尺寸倍數(shù)的壁厚會很有幫助(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)計時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)問題。

掌握自適應(yīng)層高和打印速度

在設(shè)計大規(guī)模打印時,平衡打印速度和細(xì)節(jié)至關(guān)重要。較大的層高(4毫米)可顯著縮短打印時間,但可能會犧牲精細(xì)細(xì)節(jié),導(dǎo)致表面更粗糙或設(shè)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(xì)的細(xì)節(jié),但會大大延長打印時間。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,而不會在最重要的質(zhì)量上妥協(xié)。

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(guī)模打印需要堅固的材料,尤其是在生產(chǎn)功能性或結(jié)構(gòu)性部件時。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題。對于非結(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,因此請盡可能選擇可回收、可再利用或環(huán)保的材料。

簡單的支撐可能不夠

當(dāng)為LFAM擴(kuò)大設(shè)計時,結(jié)構(gòu)必須支撐比小規(guī)模時大得多的重量。在小型打印機(jī)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(jīng)驗法則是,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加強(qiáng)區(qū)域,而不會增加太多重量。

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

重新考慮打印方向

LFAM中,方向比在小規(guī)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(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(shè)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(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方向開始打印,然后調(diào)整到另一個角度。

以不同的方式設(shè)計以加快后處理速度

LFAM中,支撐結(jié)構(gòu)必須設(shè)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(jīng)過精心設(shè)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(shè)計不需要支撐結(jié)構(gòu),或者它們被整合到設(shè)計中。

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,在整個過程中保持一致的熱條件就越重要。避免在設(shè)計中使用大平面,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。

CAD軟件難以處理大幅面設(shè)計

設(shè)計師還必須注意設(shè)備限制。標(biāo)準(zhǔn)桌面CAD軟件可能難以處理大型設(shè)計。相反,Autodesk Fusion 360和Rhino等高級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)計超出打印機(jī)的構(gòu)建體積時,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(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(dǎo)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(yán)格的公差,請圍繞3D打印和銑削規(guī)劃您的設(shè)計。

組裝并非失?。翰捎媚K化設(shè)計

由于打印機(jī)的尺寸限制,大多數(shù)大幅面打印件無法以單件形式制作。相反,設(shè)計應(yīng)分解為模塊化部件,這些部件可以單獨打印,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單。模塊化設(shè)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(shè)計策略

5:More Than Layers出品的Bobble Beads椅子特寫(來源: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(shè)計中,您將獲得更可靠、更實用的最終產(chǎn)品。

考慮刀具路徑而不是切片

LFAM中,您的設(shè)計不僅僅關(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、避免缺陷并提高打印質(zhì)量。涉及許多起始和停止點的大規(guī)模打印可能會出現(xiàn)薄弱點或可見缺陷。避免這些問題的一種方法是在設(shè)計時考慮連續(xù)的刀具路徑。規(guī)劃您的設(shè)計,使打印機(jī)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(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面臨的一個關(guān)鍵挑戰(zhàn)是保持零件的強(qiáng)度,同時又不讓它們太重或使用過多的材料。拓?fù)鋬?yōu)化是一種設(shè)計技術(shù),它允許您在保持結(jié)構(gòu)完整性的同時去除不必要的材料。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、打印時間更短。通過將其納入您的設(shè)計工作流程,您可以確保最終的打印件既實用又經(jīng)濟(jì)高效。

以正確的方式設(shè)計靈活性

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。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(shè)計的整體結(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(nèi)部結(jié)構(gòu)

不要使用傳統(tǒng)的填充圖案(這通常很浪費),而是考慮使用內(nèi)部肋條或格子結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計。它們只在需要的地方提供支撐,加固關(guān)鍵區(qū)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(nèi)部結(jié)構(gòu)會對強(qiáng)度和打印時間產(chǎn)生重大影響。內(nèi)部肋條允許您加固特定的應(yīng)力點,同時保持設(shè)計輕巧高效。

在進(jìn)行全尺寸打印之前,先測試大型設(shè)計的小部分。這有助于識別結(jié)構(gòu)完整性、材料收縮或翹曲的潛在問題,并允許您在設(shè)計過程的早期進(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(shè)計。為了準(zhǔn)備銑削,請在之后要加工的區(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,而不會影響零件的最終尺寸。

四、大型設(shè)計+材料的可持續(xù)性


6:The New Raw通過機(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3D打印將廢料轉(zhuǎn)化為理想產(chǎn)品的活動有很多??煽诳蓸放c希臘的一個小鎮(zhèn)合作,將塑料瓶回收制成海灘家具,日本收集塑料廢料來制作2020年奧運會的領(lǐng)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(jī)械臂3D打印通常不使用長絲進(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。使用拓?fù)鋬?yōu)化等設(shè)計技術(shù)來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)計始于選擇合適的材料。對于LFAM,再生熱塑性塑料或生物基復(fù)合材料等選項有助于減少對環(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。選擇對環(huán)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(shè)計以減少浪費

設(shè)計師減少浪費的關(guān)鍵方法之一是優(yōu)化設(shè)計本身。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)建堅固、輕便且打印效率高的部件。此外,盡可能設(shè)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(jié)構(gòu)的需求。

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

閉環(huán)制造

考慮使用閉環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計,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)模打印過程中消耗的能量可能很大。為了減少能源消耗,設(shè)計時應(yīng)考慮效率,盡量縮短打印時間并優(yōu)化刀具路徑以減少不必要的移動。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程的總體能耗。


編譯整理:ALL3DP

 

   
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