进阶篇：3.9）3d打印件设计

本章目的：了解3d打印，购买3d打印机。

1.3d打印基础知识；

现在主流的3d打印技术有4种：①FDM；②SLA；③SLS；④3DP。具体如下：

①熔融沉积造型（Fused deposition modeling，FDM）

FDM 可能是目前应用最广泛的一种工艺，很多消费级3D 打印机都是采用的这种工艺，因为它实现起来相对容易；

FDM加热头把热熔性材料（PLA，ABS等）加热到临界状态，使其呈现半流体状态，然后加热头会在软件控制下沿CAD 确定的二维几何轨迹运动，同时喷头将半流动状态的材料挤压出来，材料瞬时凝固形成有轮廓形状的薄层。

这个过程与二维打印机的打印过程很相似，只不过从打印头出来的不是油墨，而是ABS树脂等材料的熔融物。同时由于3D 打印机的打印头或底座能够在垂直方向移动，所以它能让材料逐层进行快速累积，并且每层都是CAD模型确定的轨迹打印出确定的形状，所以最终能够打印出设计好的三维物体。

//打印材料pla为医用材料，最是安全无毒。

②光固化立体造型（Stereolithography，SLA）

　　据维基百科记载，1984年的第一台快速成形设备采用的就是光固化立体造型工艺，现在的快速成型设备中，以SLA的研究最为深入，运用也最为广泛。平时我们通常将这种工艺简称“光固化”，该工艺的基础是能在紫外光照射下产生聚合反应的光敏树脂。

与其它3D 打印工艺一样，SLA 光固化设备也会在开始“打印”物体前，将物体的三维数字模型切片。然后电脑控制下，紫外激光会沿着零件各分层截面轮廓，对液态树脂进行逐点扫描。被扫描到的树脂薄层会产生聚合反应，由点逐渐形成线，最终形成零件的一个薄层的固化截面，而未被扫描到的树脂保持原来的液态。

当一层固化完毕，升降工作台移动一个层片厚度的距离，在上一层已经固化的树脂表面再覆盖一层新的液态树脂，用以进行再一次的扫描固化。新固化的一层牢固地粘合在前一层上，如此循环往复，直到整个零件原型制造完毕。

SLA 工艺的特点是，能够呈现较高的精度和较好的表面质量，并能制造形状特别复杂（如空心零件）和特别精细（如工艺品、首饰等）的零件。

//光敏树脂可能具有毒性，过敏性，需注意。

//最近作者在网上看到有3d打印流水线的消息，采用的就是光固化的工艺。

③选择性激光烧结（SLS）

　　数字模型分层切割与逐层制造是3D 打印工艺的基础，这里往后就不再赘述了。除此之外，SLS 工艺与SLA 光固化工艺还有相似之处，即都需要借助激光将物质固化为整体。不同的是，SLS 工艺使用的是红外激光束，材料则由光敏树脂变成了塑料、蜡、陶瓷、金属或其复合物的粉末。

先将一层很薄（亚毫米级）的原料粉未铺在工作台上，接着在电脑控制下的激光束通过扫描器以一定的速度和能量密度，按分层面的二维数据扫描。激光扫描过的粉末就烧结成一定厚度的实体片层，未扫描的地方仍然保持松散的粉末状。

一层扫描完毕，随后对下一层进行扫描。先根据物体截层厚度升降工作台，铺粉滚筒再次将粉末铺平，然后再开始新一层的扫描。如此反复，直至扫描完所有层面。去掉多余粉末，再经过打磨、烘干等适当的后处理，即可获得零件。

目前应用此工艺时，以蜡粉末及塑料粉末作为原料较多，而用金属粉或陶瓷粉进行粘接或烧结的工艺尚未实际应用。

//激光烧结粉末颗粒非常小，直接接触可通过皮肤进入人体，会产生危害，需注意！

//这种工艺就没有支撑，也不需要去支撑的后处理。

④三维印刷工艺（3D printing，3DP）

　　三维印刷，也称三维打印。维基百科显示，1989年，麻省理工的Emanuel M. Sachs和John S. Haggerty等在美国申请了三维印刷技术的专利，之后Emanuel M. Sachs和John S. Haggerty又多次对该技术进行完善，并最终形成了今天的三维印刷工艺。

　　从工作方式来看，三维印刷与传统二维喷墨打印最接近。与SLS 工艺一样，3DP 也是通过将粉末粘结成整体来制作零部件，不同之处在于，它不是通过激光熔融的方式粘结，而是通过喷头喷出的粘结剂。

喷头在电脑控制下，按照模型截面的二维数据运行，选择性地在相应位置喷射粘结剂，最终构成层。在每一层粘结完毕后，成型缸下降一个等于层厚度的距离，供粉缸上升一段高度，推出多余粉末，并由铺粉辊推到成型缸，铺平再被压实。如此循环，直至完成整个物体的粘结。

2.3d打印件设计准则；

3d打印和机加工一样，只是一个统称。现在网络上还没有完整的面向3d打印的设计准则，所以下面的设计要点是作者依据fdm和sla工艺编写的。

这两种3d工艺需要注意的地方是：

2.1 支撑

因为支撑的会影响零件表面精度，如何完美地去除支撑一直是这两种3d打印件工艺的问题。（sls和3dp没有支撑的）

2.2 内部填充

这也是3d打印工艺的优势之一，内部是空心的可以节省材料但却不会降低强度。不同的内部支撑结构又对机械行业有新的要求，需要同步优化软件和硬件。

3.3 翘边

其实塑胶件也会有这种问题，所以设计上（不是工艺上）的处理办法可以按照塑胶件的来。

2.4 设计准则

3d打印件与塑胶件有很大地不同，网上还没有实际的参考资料。所以作者也无法一次编写完成，后续会追加。
但是其制造工艺必定会打破零件可靠性设计方向，毕竟其有着独特的内部填充结构。甚至可以涉及全封闭零件，如球。

作者有一个考虑的方向是零件只设计接口，其强度和壁厚可以由软件自动生成。

当量产的工艺是fdm或sla时，面向3d打印的设计要求如下：
1）具有合适的壁厚：壁厚有最小值但没有最大值，且没有壁厚均匀要求。
2）加强筋；
3）支柱；
4）孔；
5）提高零件强度；
6）提高零件外观；
7）降低零件成本的设计；

8）3d打印可行性设计；

这只是作者初步列举的，后续补充详细内容。但除了壁厚一条可以确定外，其他的都很难确定，比如3d打印件内部都可以看做加强筋，其表面真的需要加强筋吗？

3d打印虽然打印的是塑胶，但与注射工艺有本质的不同，所以用其方法所设计的零件也应该不同。

3.3d打印后处理；

根据零件工艺设计的要求，表面后处理越少越好。（省钱省力）

但为了美观考虑，可以考虑的后处理有：

1）打磨；

2）伪电镀喷漆；

 

4.3d打印碰到的小问题

有遇到一些工程师，问过作者一些小问题，作者也在这里做一些解答。

 

①强度问题。

的确常用的fdm和sla强度都有问题，可以考虑的解决问题有。

fdm采用abs材料，或从设计上大大加厚设计厚度，如2mm壁厚变成10mm壁厚。（这里有一个盲点，很多工程师认为3d打印件强度不够时下意识的限制了壁厚）。

sla可以采用特殊的加强树脂。

 

②表面问题

3d打印件都可以做表面后处理，若要掩盖其为打印件，作者建议以喷涂为主。

5.明确3d打印的目的；

明确3d打印的目的，是为了依据制造工艺而更好地设计零件。
大部分的3d打印是出于打样的目的。所以，零件的设计是依据量产的工艺而制定的，如塑胶件就依据注塑工艺设计，压铸件就依据压铸工艺设计。只不过打样的方法用3d打印而已。

但上文也说了，3d打印有其优越性所在。所以当把3d打印工艺作为量产手段时，面向制造的设计知识就是针对3d打印工艺的，零件的设计也必须依据3d打印工艺而调整优化。

6.购买3d打印机的好处

虽然3d打印并不是一件新兴的技术（以前叫快速成型），但随着桌面化的3d打印机的普及，其重要性却是越来越高。尤其是面对个人定制化设计的未来。

作为一名结构工程师，作者建议大家能购买一台个人的3d打印机。

原因如下：

6.1 打印样品有助于沟通交流

特别是和非机械专业的，作者做PCB板设计时和电控工程师有实际接触案例在，深有体会！

6.2 可用于装配分析和制造分析辅助

零部件设计完毕后可以立即打印实装看看，更有利于设计的优化。

现在的FDM3d打印机的精度可以达到50±0.1的程度（亲自测试，需要调整）。刚好和塑胶件一个级别，所以在打样开模之前用FDM3d打印机大量打印样品装配是十分可取的。

若FDM3d打印的样件都无法装配，也不用去开模打样了，省的浪费钱和时间。

6.3 帮助设计师找到设计空间感

3d软件中的模型和实物还是有一定差别的，特别ID造型方面。

因为在设计中会对模型不断放大缩小，已经破坏了设计师的空间感觉。但打印出来的话，对零件特征把握会很好。作者这方面也有体会，如设计的产品看起来很不错，打印件拿到手上却感觉粗暴的很。

6.4 压缩样品时间和省钱

3d打印样品虽然有表面不够光滑，强度不够，打印尺寸不够大，个别特征打印不出等各种问题，但一个产品中只要有数个零件可以用3d打印，就可以压缩样品的时间和金钱。

对比如下表所示：

作者建议，做样品时就算是委外机加工，也可以自己同步打印一个样品，以备不时之需。

6.5 能给一个新手带来最重要的实战的经验

一个菜鸟成为高手就是无数的失败的积累。这也是机械行业的最大的弱点吧。

在IT行业的话，失败意味着一堆废弃代码，尚且是可以接受的。

但在机械行业，工程师只有踩着一堆废弃的模具才能让自己的水平有着质的提高，代价当然非常地高昂。

3d打印工艺能够将自己的设计快速地变成实物，能够带来难得的实战经验。

7.3d打印样机推荐

7.1 FDM机型

FDM 3d的打印材料一般选择PLA，是一种医用材料，是无毒无害的（但耗材注意添加剂）。型号推荐下面这种四方型品牌量产机器，稳定性更好。可以选择有加热盘的，出售时间为在2年内的（时间太短机器不稳定，太长设备款式太落后）。

本人自己组装过打印机，三角洲的结构反正不推荐，实在是折腾人（作者倒是增加了一堆3d打印机设计经验-_-||）。如下：

7.2 sla机型

最近在淘宝上发现桌面sla光固化3d打印机已经能被国内厂家生产了，时间大概在2016年年底左右。这种机器一般会在一年左右更新换代到质量较稳定产品，也就是2017年底，可以关注一下。现国内产品售价在4000元以内。是十分可喜可贺的。而且光敏树脂材料可选，有成型后非常坚固的，据说可以用榔头砸，也有和硅胶一样软的。

光固化3d打印机的精度就远超fdm打印机了，而且表面光滑，若是解决了材料很脆、价格昂贵、尺寸略小的问题，就能满足绝大部分打样的要求。

//注意材料的毒性及腐蚀性及过敏性

作者没有实际购买操作过sla的机器，只能选取一个作者看起来较为顺眼的，大家可以在淘宝上再看一下。