如何在大规模生产中优化 3D 打印设计

• 1
  打印与机加工：各工艺在量产中能保证什么
• 2
  壁厚与最小特征决定下限
• 3
  摆放方向对强度的影响大于材料
• 4
  公差：打印止步、机加工接手之处
• 5
  打印件中的螺纹、嵌件与紧固件
• 6
  套排、成型空间与量产成本
• 7
  何时机加工就是更好的工艺
• 8
  在投产前验证设计

量产中大多数打印失败，都源于为原型绘制、后来再未复核的壁厚。FDM 能较好处理 1.2–2.5 mm 壁厚。低于 1 mm 时，挤出机铺下的料条在下一道粘合前就已冷却，产生的间隙只有 CT 扫描才能发现。

SLA 和 DLP 能保持更薄的壁，但薄壁在后固化后会变形。如果壁厚必须低于 1 mm，固化时需用工装夹具，或将该零件改为机加工。

槽和孔也有同样问题。打印槽低于 0.8 mm 容易闭合。机加工槽能干净地保持 0.3 mm。投产前检查每个小于铅笔芯的槽。

拔模斜度对注塑件和需从成型平台取下的打印件都很重要。大多数几何形状 2 度就够。无拔模的垂直壁打印没问题，注塑却很痛苦。

打印件沿 Z 轴最弱。层间结合承载的载荷只是线材在平面内承载的一小部分。旋转零件，让最大拉伸载荷沿 XY 平面，而不是跨层。

这一改动往往胜过从 PLA 换成填充尼龙。我们见过零件在一种方向下 40 N 就失效，在成型平台上旋转 90 度后能承受 300 N。

摆放方向还决定支撑量、打印时间和配合面的表面处理。必须平整光滑的面应贴着平台打印或事后机加工。有支撑的面总需要清理。

当载荷路径同时沿三个方向时，打印就是错误答案。机加工的 6061-T6 或 17-4PH 零件均匀承载，无需研究摆放方向。

调好的机器打印公差为 ±0.1–0.3 mm，且随零件尺寸漂移。300 mm 的打印件在极限处可偏移 0.5 mm。机加工保持 ±0.005 mm，且不管零件是 30 mm 还是 3,000 mm。

所以要拆分图纸。外观壳体、走线、风道和盖板可以打印。轴承内孔、密封槽、螺纹底孔和定位销孔应机加工，或打印时留余量再铰孔。

混合路线效果很好。打印主体，再机加工两三个关键接口。交期保持短，功能面仍能达到数值要求。

按特征而非按零件标注公差。打印图纸上一个笼统的注释，保证在检验时引发争论。

打印螺纹在 M8 及以上、粗牙时可用。低于 M6 时牙顶变圆，接头在低扭矩下就滑扣。改用热熔黄铜嵌件，或设计机加工凸台。

凸台需要比零件其余部分更厚的壁。M4 嵌件周围 2.5–3 mm 的凸台壁能承受反复装配。1 mm 的凸台第二次拧螺丝就开裂。

在紧固件座面处加沉孔或小平垫。打印表面不够平，垫圈无法方正贴合，螺栓在载荷下会弯曲。

任何装配超过十次的部位，机加工凸台或使用金属嵌件。打印螺纹然后指望它可靠，是我们在打印壳体上最常见的现场失效。

量产时，打印成本由机器时间而非材料驱动。一个高零件占用 20% 成型空间却占 80% 打印时间，就很贵。尽可能设计成较短的 Z 高度。

零件能堆叠或几何套排时，套排效果更好。带 15 度拔模斜度的支架比垂直壁的套排更紧。这一改动可使每次成型的零件数翻倍。

大型零件在紧固件或胶粘剂能隐藏的接缝处拆分。需要 900 mm 机器的 500 mm 打印件，通常做成两个 250 mm 零件加机加工搭接接头更好。

超过几千件时，机加工或注塑通常在单件成本上胜出。设计仍在变动或产量低时，打印胜出。

当零件承受结构载荷、需要密封面，或公差要求严于 ±0.1 mm 时，选择机加工。当材料比几何形状更重要时，也是如此。

金属打印和工程塑料打印确实存在。但在多数团队实际使用的批量下，两者的单件成本都高于机加工的 6061 或 316L 零件。

机加工还能保证表面质量。Ra 0.8–1.6 μm 是标准水平。如果密封面需要 Ra 0.2–0.8 μm，无论哪种方式，都得靠机加工工序实现。

对于内部流道、点阵结构以及刀具无法触及的任何几何形状，打印仍然占优。这些部位用打印，其余部位用机加工。

打印一件，测量。48 小时后再测一次，因为打印件会蠕变和松弛。第一天合格的尺寸，到第三天可能就漂出公差。

关键特征用三坐标测量机检查，不要用卡尺。卡尺只读高点，会漏掉长打印面的弯曲。

全量下单前先做装配配合检查。一套打印件的成本，远低于 500 件装不上的零件。

尽早把图纸送去做 DFM 审核。公差冲突、薄壁和无法触及的特征，在屏幕上改比在打印件上改便宜。