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2017-11-17 【3D列印快訊】如何為FDM印表機設計3D列印零件

【3D列印快訊】如何為FDM印表機設計3D列印零件

了解如何優化FDM 3D列印常見的設計功能（如橋接，懸垂，銷釘和垂直軸孔）。

目錄
介紹
 橋接
 垂直軸孔
 懸垂
 轉角
 定位釘子
 先進設計
 經驗法則

介紹

作為市場上最經濟實惠的3D列印技術，FDM是快速和低成本原型設計的理想選擇，可廣泛用於各種應用。它也可以是功能性零件（例如外殼）的合適解決方案。

FDM會沿著預定路徑將熔化的細絲擠出到預建造的表面。
當材料被擠壓時，它會冷卻，形成一個堅固的表面，為下一層材料的建造提供基礎。
它會一層一層的重複，直到完成列印物件。

像所有的製造方法一樣，FDM對可列印的內容會有一些限制。
本文將介紹這些限制，並討論可以在設計階段實施的方法，來減少其對列印品質的影響。

橋接

當FDM發生橋接時，通常是因為列印機需要在兩個支撐或定位點之間作列印。
由於沒有為列印的初始圖層提供支撐（沒有什麼可以建立的），並且需要“填補”缺口，所以材料將傾向下垂。
橋接通常發生在物體的牆壁中的水平軸孔或中空部分的頂層（或屋頂）中。

列印橋距為25mm、35mm和45mm
減少橋接影響的一個解決方案是減少橋樑的距離，但這取決於零件的設計約束。避免下垂的另一個解決方案是支撐。
支撐為構建橋接層提供臨時構築平台。
一旦列印完成，支撐材料就會被移除。這可能會在支撐連接到最終零件的表面上留下痕跡或損壞。

FDM列印的拼圖片與移除支撐後顯示的表面粗糙度

主要設計考量因素：由於FDM的性質，除非橋樑的厚度小於5mm，否則支撐材料的下垂或痕跡就會存在。
如果需要水平和光滑的表面，高級的解決方案是將設計分成不同的部分，或考慮用別種形式的後期處理，

垂直軸孔

FDM通常會列印出尺寸不夠的垂直軸孔。一般在列印孔徑的過程造成直徑減小的原因是：

1.當噴嘴列印垂直軸孔的周邊時，它會將新列印的那層壓縮到現有的建構層上幫助改善黏著。
2.噴嘴的壓縮力將擠出的圖層形狀從一個圓形變成更寬和更扁平的形狀（見下圖）。
3.這增加了與先前列印層的接觸面積（改善黏著性），但是也增加了擠出部分的寬度。
4.最後是正在列印孔洞的直徑減小。
當列印小直徑孔洞時由於孔洞直徑與噴嘴直徑比率造成的影響，可能會造成特別的問題。

變動的切片程式與垂直孔的實際直徑變化是由於擠壓輪廓的壓縮

尺寸過小將取決於列印機，切片軟體，孔洞的大小和材料。
垂直軸孔的直徑縮小通常在切片軟體內考慮，但是精度可能會變化，並且可能需要多個測試列印來達到所需的精度。
如果要求高精度，則可能需要在列印後鑽孔。
主要設計考量因素：如果垂直軸孔的直徑非常重要，建議將列印尺寸變小，然後鑽孔到正確的直徑。

懸垂

懸垂問題是與FDM相關最常見的列印質量的問題之一。當列印層材料僅被下層部分支撐時，會出現突出。
與橋接相似，由構建層下方表面提供的不足的支撐可能導致較差的層黏著，突起或捲曲。

增加懸垂角度（以5度往上為增加）對列印品質的影響。最大的顯示的角度為70度

根據材料的不同，通常可以列印一個突出的部分，而不會損失高達45度的質量。
在45度時，新列印的圖層會有第一層50％支撐。這樣可以獲得足夠的支撐和附著力。高於45度時，需要支撐以確保
新列印的那層不會向下突出並遠離噴嘴。

列印出現的另一個問題是捲曲。新列印的圖層在突出邊緣會變得越來越薄，導致冷卻的差異化，變成向上變形（參見上圖）。
主要設計考慮因素：對懸垂的限制可以通過使用對45度以上的牆壁角度的支撐來消除。對於較大懸垂需要的支撐，
除非經過後處理，否則會有標誌出現在最終表面上。

轉角

由於FDM中的列印噴嘴是圓形的，角落和邊緣的半徑會等於噴嘴的大小。這代表這些功能將永遠不會是完全正方形的。
對於尖銳的邊緣和角落，列印的第一層特別重要。如上面關於垂直軸孔所討論的那樣，當噴嘴再列印每一層時，它壓
縮列印材料以提高黏著力。在列印初始層，會產生一個通稱為“大象腳”的外擴造型。
這會影響組裝FDM零件的能力，因為這個外擴突出超過指定的尺寸。

可以在FDM列印的初始層上看見大像腳特徵的側視圖
與FDM列印的初始列印層相關的另一個經常出現的問題是翹曲。
與PLA相比，ABS因為列印溫度高而更容易產生翹曲。
基層是第一層要列印和冷卻，因為其他加熱層列印在頂部。
這會導致差異化的冷卻，並且可能導致底層在收縮時離開列印平台。
沿著與列印平台接觸的零件邊緣添加倒角或半徑會減少這些問題的影響。
一旦列印完成，這也將有助於從列印平台上移除物件。
主要設計考量因素：如果裝配或整體尺寸對於FDM零件的功能十分重要，則所有與列印平台上接觸的所有邊緣包括
45度倒角或半徑都要注意。對於高精度的形狀和貼合性測試，推薦使用SLA或Polyjet等其他技術。

定位釘子

當需要組裝零件或對齊時，定位釘子通常以FDM列印。
考慮到這些功能通常是有功能性的，因此了解FDM可以準確列印的出定位釘子的尺寸非常重要。
大釘子（直徑大於5mm）印有周長和填充，與列印品的其他部分有很強的聯繫。直徑較小的釘子（直徑小於5mm）
只能列印周長而不沒有填充。
這會在列印的時候與其他部分之間產生不連續性，只有薄弱的連接，容易斷裂。在最壞的情況下，小釘子會因為
沒有足夠的列印材料來黏接新列印的那層而無法列印。

列印逐漸減少直徑（從25到5mm）的定位釘子，說明列印的上方直徑變得太小而無法精準的列印。
經常調整正確的列印機校正（最佳層厚，列印速度，噴嘴溫度等）可以減少釘子倒掉的可能性。在釘子的底部添加
半徑，會消除該點成為集中的壓力並增加強度。
對於直徑小於5mm的關鍵釘子，用一個現成的釘子插入列印孔洞可能才是最佳的解決方案。
主要設計考慮因素：如果您的設計包含小於5mm直徑的釘子，可以在釘子的底部增加一個小圓角。如果功能非常重
要，可考慮設計包含一個孔和釘子的位置，將孔鑽到正確的尺寸並插入一個現成的釘子。

先進設計

使用FDM列印時要考慮的幾個關鍵是如何減少所需支撐的數量，零件方向以及零件在列印平台上的建構方向。

分解你的模型

通常，拆模型可以降低其複雜性，節省成本和時間。需要大量支撐的突出部分可以通過簡單地將複雜的形狀分割成單
獨列印的部分來移除。如果需要，一旦完成部分的列印，這些部分可以再黏在一起。

拆模型以消除對支撐的需求

孔洞定位

通過更改列印方向是最好的方式來避免孔洞有支撐。在水平軸孔洞中去除支撐通常是很困難的，
但通過將建構方向旋轉90度，來消除對支撐的需求。
對於不同方向有多孔的零件，先以盲孔優先，然後是從孔洞直徑最小到最大的，然後是關鍵的孔洞尺寸。

重新定位水平軸孔可以消除對支撐的需要

建立方向

由於FDM列印的各向異性特性，了解零件的應用以及如何建立零件對於設計的成功十分重要。
由於層面方向，FDM零件在一個方向上會較脆弱。

缺乏連續物質的路徑和每層接頭產生的集中壓力都會造成這種缺陷。
由於圖層列印為圓角方形，每層之間的接縫實際上像是小凹谷。這會在形成裂紋的地方產生集中的壓力。

經驗法則

•如果橋樑超過5mm，可能會發生下垂或支撐材的痕跡。拆件設計或後處理可以消除這個問題。
•對於重要的垂直孔洞直徑，如果要求高精度，建議在列印後進行鑽孔。
•大於45度的牆角要增加支撐讓FDM列印機做列印。
•在FDM零件的所有邊緣上，包括與列印平台接觸的45度倒角或半徑。
•對於使用小型垂直釘子的應用，請在底部增加一個小圓角或考慮將現成的釘子插入列印的孔洞中。
•模型拆件、重新定位孔洞和指定構建方向都是可以降低成本，加快列印流程，提高設計強度和列印品質的因素。

原文來源:https://www.3dhubs.com/knowledge-base/how-design-parts-fdm-3d-printing#advanced-design

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