進階篇：3.9）3d打印件設計

本章目的：瞭解3d打印，購買3d打印機。

 

1.3d打印基礎知識；

如今主流的3d打印技術有4種：①FDM；②SLA；③SLS；④3DP。具體以下：

①熔融沉積造型（Fused deposition modeling，FDM）

FDM 多是目前應用最普遍的一種工藝，不少消費級3D 打印機都是採用的這種工藝，由於它實現起來相對容易；

FDM加熱頭把熱熔性材料（PLA，ABS等）加熱到臨界狀態，使其呈現半流體狀態，而後加熱頭會在軟件控制下沿CAD 肯定的二維幾何軌跡運動，同時噴頭將半流動狀態的材料擠壓出來，材料瞬時凝固造成有輪廓形狀的薄層。

這個過程與二維打印機的打印過程很類似，只不過從打印頭出來的不是油墨，而是ABS樹脂等材料的熔融物。同時因爲3D 打印機的打印頭或底座可以在垂直方向移動，因此它能讓材料逐層進行快速累積，而且每層都是CAD模型肯定的軌跡打印出肯定的形狀，因此最終可以打印出設計好的三維物體。

//打印材料pla爲醫用材料，最是安全無毒。

 

②光固化立體造型（Stereolithography，SLA）

　　據維基百科記載，1984年的第一臺快速成形設備採用的就是光固化立體造型工藝，如今的快速成型設備中，以SLA的研究最爲深刻，運用也最爲普遍。平時咱們一般將這種工藝簡稱「光固化」，該工藝的基礎是能在紫外光照射下產生聚合反應的光敏樹脂。

與其它3D 打印工藝同樣，SLA 光固化設備也會在開始「打印」物體前，將物體的三維數字模型切片。而後電腦控制下，紫外激光會沿着零件各分層截面輪廓，對液態樹脂進行逐點掃描。被掃描到的樹脂薄層會產生聚合反應，由點逐漸造成線，最終造成零件的一個薄層的固化截面，而未被掃描到的樹脂保持原來的液態。

當一層固化完畢，升降工做臺移動一個層片厚度的距離，在上一層已經固化的樹脂表面再覆蓋一層新的液態樹脂，用以進行再一次的掃描固化。新固化的一層牢固地粘合在前一層上，如此循環往復，直到整個零件原型製造完畢。

SLA 工藝的特色是，可以呈現較高的精度和較好的表面質量，並能製造形狀特別複雜（如空心零件）和特別精細（如工藝品、首飾等）的零件。

//光敏樹脂可能具備毒性，過敏性，需注意。

//最近做者在網上看到有3d打印流水線的消息，採用的就是光固化的工藝。

 

③選擇性激光燒結（SLS）

　　數字模型分層切割與逐層製造是3D 打印工藝的基礎，這裏日後就再也不贅述了。除此以外，SLS 工藝與SLA 光固化工藝還有類似之處，即都須要藉助激光將物質固化爲總體。不一樣的是，SLS 工藝使用的是紅外激光束，材料則由光敏樹脂變成了塑料、蠟、陶瓷、金屬或其複合物的粉末。

先將一層很薄（亞毫米級）的原料粉未鋪在工做臺上，接着在電腦控制下的激光束經過掃描器以必定的速度和能量密度，按分層面的二維數據掃描。激光掃描過的粉末就燒結成必定厚度的實體片層，未掃描的地方仍然保持鬆散的粉末狀。

一層掃描完畢，隨後對下一層進行掃描。先根據物體截層厚度升降工做臺，鋪粉滾筒再次將粉末鋪平，而後再開始新一層的掃描。如此反覆，直至掃描完全部層面。去掉多餘粉末，再通過打磨、烘乾等適當的後處理，便可得到零件。

目前應用此工藝時，以蠟粉末及塑料粉末做爲原料較多，而用金屬粉或陶瓷粉進行粘接或燒結的工藝還沒有實際應用。

//激光燒結粉末顆粒很是小，直接接觸可經過皮膚進入人體，會產生危害，需注意！

//這種工藝就沒有支撐，也不須要去支撐的後處理。

 

④三維印刷工藝（3D printing，3DP）

　　三維印刷，也稱三維打印。維基百科顯示，1989年，麻省理工的Emanuel M. Sachs和John S. Haggerty等在美國申請了三維印刷技術的專利，以後Emanuel M. Sachs和John S. Haggerty又屢次對該技術進行完善，並最終造成了今天的三維印刷工藝。

　　從工做方式來看，三維印刷與傳統二維噴墨打印最接近。與SLS 工藝同樣，3DP 也是經過將粉末粘結成總體來製做零部件，不一樣之處在於，它不是經過激光熔融的方式粘結，而是經過噴頭噴出的粘結劑。

噴頭在電腦控制下，按照模型截面的二維數據運行，選擇性地在相應位置噴射粘結劑，最終構成層。在每一層粘結完畢後，成型缸降低一個等於層厚度的距離，供粉缸上升一段高度，推出多餘粉末，並由鋪粉輥推到成型缸，鋪平再被壓實。如此循環，直至完成整個物體的粘結。

 

2.3d打印件設計準則；

3d打印和機加工同樣，只是一個統稱。如今網絡上尚未完整的面向3d打印的設計準則，因此下面的設計要點是做者依據fdm和sla工藝編寫的。

這兩種3d工藝須要注意的地方是：

2.1 支撐

由於支撐的會影響零件表面精度，如何完美地去除支撐一直是這兩種3d打印件工藝的問題。（sls和3dp沒有支撐的）

 

2.2 內部填充

這也是3d打印工藝的優點之一，內部是空心的能夠節省材料但卻不會下降強度。不一樣的內部支撐結構又對機械行業有新的要求，須要同步優化軟件和硬件。

 

3.3 翹邊

其實塑膠件也會有這種問題，因此設計上（不是工藝上）的處理辦法能夠按照塑膠件的來。

 

2.4 設計準則

3d打印件與塑膠件有很大地不一樣，網上尚未實際的參考資料。因此做者也沒法一次編寫完成，後續會追加。
可是其製造工藝一定會打破零件可靠性設計方向，畢竟其有着獨特的內部填充結構。甚至能夠涉及全封閉零件，如球。

做者有一個考慮的方向是零件只設計接口，其強度和壁厚能夠由軟件自動生成。

當量產的工藝是fdm或sla時，面向3d打印的設計要求以下：
1）具備合適的壁厚：壁厚有最小值但沒有最大值，且沒有壁厚均勻要求。
2）增強筋；
3）支柱；
4）孔；
5）提升零件強度；
6）提升零件外觀；
7）下降零件成本的設計；

8）3d打印可行性設計；

這只是做者初步列舉的，後續補充詳細內容。但除了壁厚一條能夠肯定外，其餘的都很難肯定，好比3d打印件內部均可以看作增強筋，其表面真的須要增強筋嗎？

3d打印雖然打印的是塑膠，但與注射工藝有本質的不一樣，因此用其方法所設計的零件也應該不一樣。

 

3.3d打印後處理；

根據零件工藝設計的要求，表面後處理越少越好。（省錢省力）

但爲了美觀考慮，能夠考慮的後處理有：

1）打磨；

2）僞電鍍噴漆；

 

4.3d打印碰到的小問題

有遇到一些工程師，問過做者一些小問題，做者也在這裏作一些解答。

 

①強度問題。

的確經常使用的fdm和sla強度都有問題，能夠考慮的解決問題有。

fdm採用abs材料，或從設計上大大加厚設計厚度，如2mm壁厚變成10mm壁厚。（這裏有一個盲點，不少工程師認爲3d打印件強度不夠時下意識的限制了壁厚）。

sla能夠採用特殊的增強樹脂。

 

②表面問題

3d打印件均可以作表面後處理，若要掩蓋其爲打印件，做者建議以噴塗爲主。

 

5.明確3d打印的目的；

明確3d打印的目的，是爲了依據製造工藝而更好地設計零件。
大部分的3d打印是出於打樣的目的。因此，零件的設計是依據量產的工藝而制定的，如塑膠件就依據注塑工藝設計，壓鑄件就依據壓鑄工藝設計。只不過打樣的方法用3d打印而已。

但上文也說了，3d打印有其優越性所在。因此當把3d打印工藝做爲量產手段時，面向製造的設計知識就是針對3d打印工藝的，零件的設計也必須依據3d打印工藝而調整優化。

 

6.購買3d打印機的好處

雖然3d打印並非一件新興的技術（之前叫快速成型），但隨着桌面化的3d打印機的普及，其重要性倒是愈來愈高。尤爲是面對我的定製化設計的將來。

做爲一名結構工程師，做者建議你們能購買一臺我的的3d打印機。

緣由以下：

 

6.1 打印樣品有助於溝通交流

特別是和非機械專業的，做者作PCB板設計時和電控工程師有實際接觸案例在，深有體會！

 

6.2 可用於裝配分析和製造分析輔助

零部件設計完畢後能夠當即打印實裝看看，更有利於設計的優化。

如今的FDM3d打印機的精度能夠達到50±0.1的程度（親自測試，須要調整）。恰好和塑膠件一個級別，因此在打樣開模以前用FDM3d打印機大量打印樣品裝配是十分可取的。

若FDM3d打印的樣件都沒法裝配，也不用去開模打樣了，省的浪費錢和時間。

 

6.3 幫助設計師找到設計空間感

3d軟件中的模型和實物仍是有必定差異的，特別ID造型方面。

由於在設計中會對模型不斷放大縮小，已經破壞了設計師的空間感受。但打印出來的話，對零件特徵把握會很好。做者這方面也有體會，如設計的產品看起來很不錯，打印件拿到手上卻感受粗暴的很。

 

6.4 壓縮樣品時間和省錢

3d打印樣品雖然有表面不夠光滑，強度不夠，打印尺寸不夠大，個別特徵打印不出等各類問題，但一個產品中只要有數個零件能夠用3d打印，就能夠壓縮樣品的時間和金錢。

對好比下表所示：

做者建議，作樣品時就算是委外機加工，也能夠本身同步打印一個樣品，以備不時之需。

 

6.5 能給一個新手帶來最重要的實戰的經驗

一個菜鳥成爲高手就是無數的失敗的積累。這也是機械行業的最大的弱點吧。

在IT行業的話，失敗意味着一堆廢棄代碼，尚且是能夠接受的。

但在機械行業，工程師只有踩着一堆廢棄的模具才能讓本身的水平有着質的提升，代價固然很是地高昂。

3d打印工藝可以將本身的設計快速地變成實物，可以帶來可貴的實戰經驗。

 

7.3d打印樣機推薦

7.1 FDM機型

FDM 3d的打印材料通常選擇PLA，是一種醫用材料，是無毒無害的（但耗材注意添加劑）。型號推薦下面這種四方型品牌量產機器，穩定性更好。能夠選擇有加熱盤的，出售時間爲在2年內的（時間過短機器不穩定，太長設備款式太落後）。

本人本身組裝過打印機，三角洲的結構反正不推薦，實在是折騰人（做者卻是增長了一堆3d打印機設計經驗-_-||）。以下：

 

7.2 sla機型

最近在淘寶上發現桌面sla光固化3d打印機已經能被國內廠家生產了，時間大概在2016年年末左右。這種機器通常會在一年左右更新換代到質量較穩定產品，也就是2017年末，能夠關注一下。現國內產品售價在4000元之內。是十分可喜可賀的。並且光敏樹脂材料可選，有成型後很是堅固的，聽說能夠用榔頭砸，也有和硅膠同樣軟的。

光固化3d打印機的精度就遠超fdm打印機了，並且表面光滑，如果解決了材料很脆、價格昂貴、尺寸略小的問題，就能知足絕大部分打樣的要求。

//注意材料的毒性及腐蝕性及過敏性

做者沒有實際購買操做過sla的機器，只能選取一個做者看起來較爲順眼的，你們能夠在淘寶上再看一下。