探索 3D 打印：各工艺原理与适用边界

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  要点速览
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  FDM、SLA 或 SLS 成形过程实际发生了什么
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  打印件的公差预算花在哪里
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  成形方向改变强度，不只是外观
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  3D 打印何时不再是便宜选项
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  经得起实际成形检验的设计规则
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  材料行为比材料名称更重要
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  从模型到首件，六步走
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  功能件：增材工艺与 CNC 对比

FDM 将热塑性丝材推过加热喷嘴并挤出料条，通常高 0.1–0.3 mm。料条截面为圆形，相邻走线仅沿线接触。这一接触面积正是同一零件在 XY 平面打印时明显强于跨层堆叠受载的原因。0.4 mm 喷嘴下，0.8 mm 壁厚大致是实际最小值，更薄会打印成波浪状薄带。

SLA 和 DLP 用激光或投影仪固化液态树脂。由于树脂是固化而非熔融再凝固，表面纹理光滑，仅在浅角度处可见层纹。最小特征尺寸由激光光斑或像素间距决定，而非层高。难点在于生坯处理：零件需清洗并完成 UV 后固化，且在此过程中会持续轻微收缩。

SLS 用红外源烧结聚合物粉末，同时由辊筒铺一层新粉。未烧结粉末包围零件并充当支撑，因此可在高成形仓内嵌套零件，完全省去去支撑工时。代价是表面有颗粒感，染色后内部孔隙会显现。粉末复用比例比多数工程师预想的更重要：旧粉过多会导致延伸率下降。

金属增材分为粉末床熔融和定向能量沉积。粉末床熔融在惰性腔体内用激光或电子束成形，随后从基板上切下零件并去应力。DED 通过喷嘴沉积金属，更接近熔覆而非打印，适合修复和近净成形预制件。两种路线通常都要对所有功能表面进行机加工。

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  喷嘴直径决定 FDM 壁厚下限0.4 mm 喷嘴，最小壁厚 0.8 mm，层高 0.1–0.3 mm。
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  光斑尺寸决定 SLA 特征下限小孔打印偏小，需钻孔修正。
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  粉末床无需支撑但会残留粉末小于 1 mm 的盲通道难以清粉。
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  金属增材总以机加工收尾接口、内孔和螺纹是切出来的，不是打印出来的。

所有增材工艺都会收缩。FDM 丝材冷却时收缩，SLS 粉末烧结后体积略小，金属粉末床熔融在熔池凝固时产生拉应力。设备厂商用全局缩放系数补偿，但补偿是均匀的，收缩却不是。细长件两端翘曲大于中部，因此偏差不是一个可以拨掉的单一数值。

去支撑是第二大误差来源。FDM 的支撑接触面比朝上表皮更粗糙，粗糙度可达其余部位的 2–3 倍。SLA 的支撑残根留下小痕迹，做外观面之前需打磨。设计时采用平底和与垂直方向成 45° 以下的自支撑角度，可在误差产生前消除大部分。

层高常被误认为精度。并非如此。层高控制斜面阶梯外观和成形工时，不控制孔中心的位置精度。同一台机器上 0.05 mm 层高和 0.2 mm 层高的线性公差相同，但浅斜面的表面观感差别很大。层高按外观和速度选，精度按工艺选。

作为参考，我们的 CNC 加工可保持 ±0.005 mm（±0.0002 in），图纸要求时可做到 Ra 0.2–0.8 μm。这一差距并非贬低打印。正因如此，打印件和加工件通常出现在同一装配中，承担不同功能。

打印件有纹理方向，纹理沿层叠方向延伸。在 FDM 中，层间结合是热熔焊接，强度低于线材本身。让支架承受跨层方向的载荷，它可能在面内强度的一小部分就失效。在切片软件中把同一零件旋转 90°，薄弱平面就移到无害的位置。取向是在构建设置中做出的结构决策，往往由从未见过载荷工况的人决定。

这就是为什么打印取向应写在图纸或构建说明中。标注载荷方向、标注任何密封面，并标注打印后需要加工的表面。否则，供应商会按最短构建时间取向，而这通常是对强度最不利的取向。

SLS 表现更好，因为粉末床支撑零件，聚合物链跨层边界扩散。各向异性仍然存在，但比值远小于 FDM。SLA 居中，且高度依赖后固化：固化不足的树脂保持柔软，过度固化的树脂变脆。存在一个窗口，且因工艺而异。

对于金属零件，取向决定的不只是强度。它决定残余应力方向，决定哪些面需要支撑，并决定精加工切削留多少余量。任何要加工的面留 0.3–0.5 mm，如果零件较高，顶面留更多。

增材制造胜在复杂度，而非批量。一个带内部流道的零件，打印成本与同一包围盒的简单方块大致相同，因为机器时间由高度和层数决定，而不是零件有多少型腔。这就是全部经济论证，且在一定范围内成立。

转折点出现在增加精加工工序时。一旦打印件需要端面、镗孔、攻丝和严格的平面度要求，你就买了打印加加工加装夹。到那时，用 6061 或 17-4PH 加工的零件往往更便宜，且公差已在零件中，而非事后附加。

数量会提前触发同样的转折。打印 200 个相同的小支架意味着 200 次单独构建或一次很高的嵌套构建，每件还有清粉和检验的人工。CNC 加工在整个批次中分摊工装夹具，并对每件保持 ±0.005 mm。超过几十件，算术通常就翻转。

对大多数硬件团队来说，诚实的答案是拆分。打印无法加工的几何形状，加工必须密封、攻丝或滑动的面。把两者交给一个供应商，就跳过两个供应商之间的公差链争论。

保持壁厚均匀。从 2 mm 突然跳到 6 mm 使厚截面热质量更大，冷却更慢并拉扯薄截面。如果凸台必须厚，就掏空或从背面挖空。这一条规则防止的翘曲零件比任何切片设置都多。

孔设计得偏小再铰。FDM 和 SLS 打印的孔都小于名义值，因为材料向内收缩，切片软件用圆形近似补偿。Ø6 H7 内孔是加工工序，不是打印工序。打印成 Ø5.6 再钻，或者如果紧固件只需要间隙，就把孔设计成槽。

在关键处留加工余量。密封面、轴承座、螺纹凸台和任何用于检验的基准都应留 0.3–0.5 mm 余量。M4 以下的螺纹应打印成底孔再攻丝；打印螺纹在扭矩下会滑牙，且没有可靠方法检验。

最后，考虑零件如何装夹。没有平面也没有平行面的打印件很难为精加工装夹。加一个临时凸耳或平垫，加工基准，然后去掉凸耳。这在模型中几乎不花成本，却省去车间的一次装夹。

两个供应商都可以说 PA12，却给你不同的零件。粉末年龄、含水量和机器校准对伸长率和表面处理的影响比牌号名称更大。当打印件必须通过跌落测试时，要问构建参数，而不只是树脂或粉末牌号。

水分是 FDM 的隐性失效模式。潮湿线材在喷嘴中排气，留下空洞和粗糙表面。尼龙吸湿快；干燥并密封的线材打印明显更好。如果供应商敞开存放线材，同一批次首件和末件之间会有差异。

对于金属，合金系列决定后处理路线。Ti-6Al-4V 在从基板切下前需要去应力，否则零件会在线切割工序中弯曲。17-4PH 对热处理有响应，因此打印、去应力、加工和时效的顺序必须规划，不能即兴。

我们的加工队列中常备 6061、6061-T6、2024、5052、6063、6082、7075、303、304、316L、17-4PH、4140、TC4 和 Inconel，打印件还备有 ABS、PC、POM、PA、PEEK 和碳填充塑料。在一个装配中混合两种路线在这里很常见。