D打印模型设计方法

FDM 3D打印模型设计要求

1.结构设计

3D打印模型的结构设计直接关系到模型能不能打印、模型结构强度和后期安装等一系列核心问题，故必须重视。3D打印模型的结构和一般模型有很大区别，一般来说主要体现在分块、结构加强和连接设计上。

1.1模型分块

由于打印机的打印尺寸限制，大型模型一般必须要分块处理。在哪里分块、分成什么形状是根据结构强度要求、安装顺序和在打印机上的放置位置决定的。其中首先考虑安装顺序，即分块形成的零件在安装时必须要可以安装，建议在图上画出来各个零件的安装顺序，这在复杂模型中非常有用；其次考虑结构强度要求，即分块处一般要避开受力和形变较大处；最后考虑在打印机上的放置位置，好的块设计可以显著地节省材料和加工时间，以及加强打印时的稳定性（该处在4详细描述）。

如图为挂车牵引车分块示意图，该挂车车头分为19个零件。

1.2壁厚

由于FDM 3D打印机采用层叠加的加工方式，故相对于注塑件其结构强度要低，再加上打印机精度限制，不能参考一般注塑件的壁厚。经验：一般外壳注塑件壁厚为0.8mm 至2mm，要达到同样强度，3D打印壳体模型的壁厚至少在2.5mm，一般建议3mm。

此外，在连接处等部位，为保证强度，必须加强壁厚，使之达到5mm以上。

1.3结构加强件

结构加强在塑料件设计中是很常见的，一般体现在圆角过渡以消除应力、在形变处设计加强筋、倒角设计上。这其中，加强筋和倒角是最常见的。结构加强件属于额外的设计，故一定要考虑配合干涉问题。

加强筋的设计一般运用在受力较大或形变较大的部位，例如通孔的四周、垂直壁面、完整的平面等处。加强筋的设计在塑料件注塑/冲压件设计中有国家标准，但3D打印没有必要遵守，可以参考也可以自己控制。保证尺寸不要过小，以起到应有的效果。

倒角一般用于不适合安防加强筋的垂直壁面。相对于加强筋，倒角起到的加强作用不高，一般用于控制形变而不是增加强度。倒角直角边长一般在5mm到10mm左右。

圆角过渡使用情况比较复杂，使用不多，一般用在孔柱配合固定等有大应力的情况。

圆角过渡相对于倒角，优点是可以避免应力集中，缺点是圆角半径过小会失效。

1.4 榫卯连接

由于3D 打印件配合和木材配合类似，为了节省后期连接时间和复杂程度，一般会考虑榫卯连接。榫卯连接的关键在于设计合理的安装顺序和配合方式，可以让零件在保证强度的情况下自然配合而不需要螺钉等紧固件。榫卯配合的方案非常多，可以参考木工资料。

挂车牵引车中的一块，两边连接采用类榫卯的样式连接，便于后期装配时定位。

2. 配合设计

之前的榫卯连接就已经属于配合设计中的一部分。除此之外，在必要的地方还要使用螺钉等紧固件。3D 打印零件有以下几点特殊性：不能攻丝、结构较脆（即螺钉拧不紧）、弹性不好控制、表面不光滑等。

2.1 孔/类孔配合

由于3D 打印的特性，孔不一定是圆孔，也可以是异性孔。不过需要注意，孔的边数越多，对于配合精度的要求就越高，故一般将孔设计为圆孔或方形孔，不考虑多边形孔，但定位孔除外，如下方的十字形孔。和孔配合的柱体可以通过自上而下设计方法来保证完全配合。

2.2薄壁件配合

薄壁件配合一般通过孔柱配合进行间接配合，也可以通过壁面整体配合的方式进行配合。一般来说孔柱配合可以保证连接强度，但由于误差可能会留有缝隙；而壁面整体配合一般强度较低但是没有缝隙。这两种方式可以配合起来使用，但一般考虑通过孔柱配合连接。

2.3螺钉配合设计

一般来说，螺钉只能使用螺钉螺母或螺柱螺母配合连接。故只需要在相应位置设计孔即可，孔可能有沉头孔方案或单纯通孔等类型。但这时必须注意螺钉螺母的尺寸，要避免干涉。建议在建模时，在零件标准库中找到预期的紧固件进行装配，避免忘记尺寸造成干涉。除此之外，还要考虑安装方式和便利性等因素。由于3D打印零件较脆，故一定要加垫片，而且不可用全力拧紧。

3.公差分析

3D打印的公差在设计时必须考虑，一般建议先按照无公差设计，确定配合关系和装配方案后，单独修改各个零件至间隙配合（必须是间隙配合，由于塑料材质很脆，不能采用过盈配合然后砸进去的方案，即：宁小勿大）。这包括榫卯连接。

3.1打印机公差

FDM 3D打印机在打印时有三个因素影响公差，其一是打印机步进电机的脉冲频率，其二是塑料本身的收缩性，其三是在打印机上的放置位置。前两点都不能事先得知，且因打印机和材料而异，即使是同一台打印机，Z向（即竖直堆料方向，精度可调）和XY 向公差（即平面方向）也不同。一般来说，孔在XY向打印时，精度比在Z向打印高，但一般会呈现收缩（即负向公差），而且Z向低精度打印圆孔时很可能会失圆；而边在XY向打印和Z向打印差异不大，可以忽略，边一般呈现略微扩张（即正向公差）。

需要注意的是，打印机的相对公差和特征尺寸有很大关系，即公差是绝对的，不是相对的，所以特征尺寸越小，相对公差越高，反之亦然。例如一个10mm圆柱连接，圆柱部分相对误差可能达到+10%到+20%之多，而圆柱孔又会收缩10%，这样本身设计的间隙配合也可能变为过盈配合。

除此之外，打印机XY平面精度最高的地方在中心位置，越靠近边界极限位置精度越低，应尽量避免使用极限尺寸打印或在极限位置设计特征。

Z向打印

XY向打印

3.2支撑公差

支撑是FDM 3D打印必须有的，而这些支撑需要在完成后去除，这可能会产生由于去除不尽造成的误差。一般来说这种误差是没有影响的，但如果出现在孔中就会产生很大的误差。一般在Z向打印孔时会有支撑，而去除后对于10mm的孔相对公差将达到30%左右。这种公差不易控制，一般也不需要为此专门扩大孔的尺寸。出现这种情况只能通过后期修正。

XY向打印孔的支撑

3.3 建议预留公差

边：原尺寸

XY方向打印孔：直径+1.5至2mm

Z方向打印孔：一般不推荐，直径+1.5至2mm

XY方向打印柱：直径-1.5至2mm

Z方向打印柱：一般不推荐，直径-1.5至2mm

部分尺寸较大的配合特征，例如榫卯连接的斜向贴合处，应预留至少1mm的距离。

4.打印位置选择

打印位置的选择主要关系到打印稳定性、材料使用量、打印速度和打印精度，这部分和设计的关系主要体现在打印精度。因为除Delta型外的FDM 3D打印机Z轴结构设计和XY轴不一样，导致一个零件在横向（XY平面）放置和竖向（Z向）放置时不同。这主要有如下区别：

1）在低精度下，竖向放置的零件表面会出现细线导致表面略不光滑；

2）大型平面如果横向放置打印，容易造成平面第一层起皱而导致打印失败；

3）大型平面（尤其是薄壁件）不能竖向放置，否则可能会在打印时倒塌而打印失败；

4）孔在横向放置时和竖向放置时精度不同，这在3中解释过；

5.建议设计过程