3D 打印摆放位置对成品质量的影响

• 1
  为什么摆放决定层方向，以及为什么这很重要
• 2
  朝向如何影响可达到的公差
• 3
  支撑接触、表面处理与去除成本
• 4
  翘曲、卷边，以及大平面为何有风险
• 5
  成品中的各向异性，以及何时可以忽略
• 6
  打印时间、材料用量与摆放的权衡
• 7
  3D 打印摆放无法解决的情况
• 8
  按零件特征选择朝向

FDM 或 SLA 零件是由一层层平面切片堆叠而成。按下切片按钮的那一刻，堆叠方向就固定了。因此零件的每一面壁都是一组堆叠的线条，而不是连续实体。沿线条方向施加的拉伸载荷由完整的挤出线承担；垂直于线条施加同样的载荷，则由两层之间的结合面承担。这两个数值并不相同。

在 FDM 中，XY 方向的抗拉强度通常高于 Z 方向，差距足以改变设计决策。平放打印的支架能通过拉伸测试，竖放打印的同一支架却会失效。几何形状没有变，变的只是层方向。

这是本主题的核心。3D 打印摆放不是外观设置，它决定零件哪个轴是弱轴。弄清载荷路径，就知道零件该以哪个方向立起来。

旋转之前，先标出两三个承载或与其他件配合密封的特征。其余部分都可以为可打印性让步。跳过这一步的工程师，最后往往得到一个外观不错、却在凸台处开裂的零件。

每层以固定厚度铺放，喷嘴或激光在层间重新定位。这种重新定位误差沿 Z 方向累积。X 和 Y 方向运动系统是连续的，误差表现不同。实际结果是：轴线竖直打印的孔，直径保持得比轴线水平打印的同一孔更好。

水平孔是典型失效。孔顶部因挤出的料条下方无支撑而下垂。FDM 中水平打印的 Ø8 mm 孔，常出现 0.2 至 0.4 mm 的椭圆。同一孔竖直打印，圆度误差通常低于 0.1 mm。

平坦顶面的情况相反。作为最后一层贴着平台打印的面是光滑的；同一面作为悬垂打印则粗糙，需要打磨。先确定哪个面是外观面，再决定朝向。

若某特征必须保持 ±0.05 mm 或更严，应计划打印后机加工。我们在五轴加工上可保持 ±0.005 mm，因此打印毛坯加机加工内孔是我们常规的工艺路线。

FDM 中，与竖直方向夹角超过约 45° 的悬垂面都需要支撑。支撑会接触零件，接触处会留下痕迹、小凹坑，或比零件其余部分更粗糙的纹理。

损伤程度与接触面积成正比，而不是与悬垂尺寸成正比。大面积平面悬垂用密集网格支撑，可能比小的曲面悬垂更难清理。旋转零件让关键面朝上，问题就完全消除。

支撑还消耗材料和机时。悬垂多的高零件，可能有三分之一的打印时间花在最终被丢弃的支撑上。把长零件旋转放倒，通常能同时减少支撑体积和总打印时间。

这个逻辑有边界。零件放倒会增加与平台的接触面积，从而增大冷却时的拉拔力。这就是下一个问题。

每层冷却时都会收缩。下面一层已经收缩且更硬，这种不匹配会把零件角部从平台上拉起。这就是大平面直接打印在平台上翘曲风险最高的原因。

该效应随接触面积增大。ABS 在 100 °C 热床上打印 150 mm 宽的平底，若不使用 brim 或壳体，角部通常会翘起。同一零件旋转到侧立，接触面积小得多，拉拔力也小得多。

摆放还决定翘曲出现在哪里。若翘曲面是非关键底面，零件仍可用；若是密封面，零件就报废。这种情况下，3D 打印摆放对报废率的影响超过任何打印机设置。

铝和钢中也有同样的机理，只是数值不同。4,000 mm 的机加工框架若跳过去应力，可能变形 0.3 mm。工艺不同，残余应力的教训相同。

各向异性指零件在不同方向上性能不同。FDM 中以 Z 向强度与 XY 向强度之比来衡量。公开数值因材料和打印机而异，但 Z 向始终是较弱的方向。

SLA 和 DLP 的表现不同。光敏聚合物固化后形成交联网络，因此层与层之间是化学键结合，而非热熔焊接。各向异性较小，但并不为零；在摆放方向时仍需注意让树脂排出并避免形成吸盘。

SLS 和 MJF 使用粉末床，无需支撑结构。零件由周围粉末支撑。陡峭角度的悬垂结构打印时不会留下支撑痕迹，这消除了旋转零件的一个最大理由。层方向仍会影响朝上表面的强度和表面处理。

什么时候各向异性无关紧要？仅承受压缩载荷的零件、保持位置的夹具、无结构作用的盖板。在这些情况下，选择打印最快、最干净的摆放方向，不必再担心载荷路径。

摆放方向改变构建高度，而构建高度对打印时间的影响超过任何其他单一变量。竖立旋转的零件可能比平放的同一零件耗时翻倍，因为喷嘴每层都要走完整个高度。

平放通常在时间和支撑体积上占优。它在 Z 向强度和任何垂直孔的精度上处于劣势。很少能两者兼得。决策归结为哪项要求是硬性的、哪项是偏好。

存在折中路线。将零件倾斜 10° 到 30°，使关键面不再是悬垂面，垂直特征也不再垂直。这通常能免除支撑而不牺牲孔的圆度。值得试打印一次。

对于既需要干净外观面又需要真圆内孔的零件，可放大打印后加工内孔。打印毛坯加一次五轴加工通常比试图打印到公差更便宜。我们会同时报两条路线的价格，便于对比。

摆放方向无法修正对工艺而言过薄的壁厚、小于喷嘴或激光光斑的特征，或完全不适合使用环境的材料。旋转零件不会增加几何结构本身不具备的强度。

它也无法修正必须在多个特征上保持 ±0.005 mm 的零件。基于层的工艺在可达公差上有下限，摆放方向只能让你在该下限内移动，而不能低于它。那是机加工的工作。

如果你的零件有一两个关键特征和自由曲面主体，通常的答案是打印主体并加工接口。我们经常采用这种组合：打印形状，然后车削、铣削或五轴加工与其他零件配合的内孔、面和螺纹。

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