加固3D列印零件的若干種方式

有些3D列印工作對強度有要求。筆者嘗試過若干加固手段，保障零件摔不爛，能按需求承受壓力。經過試驗發現，在解決強度問題上，昂貴的商業級3D印表機和實惠的桌面級印表機沒有太大差別。要做的都是花時間思考和調整配置。
本文羅列了一些解決手段，主要針對FDM（熔融沉積成型）桌面級3D印表機。第1和2章節的操作能立馬學會，第3和4章節則需要做好準備和策劃工作。
【1.0模型的幾何形狀】

移動、加厚，從而增加強度
1.1加厚模型
顯而易見，薄片通常就是零件的薄弱環節。不僅如此，FDM印表機在列印薄片時也容易出現各種問題（例如，分層、翹邊、打印頭碰撞）。看看是否能加厚這些環節。雖然不是所有的薄片都允許加厚，但是總有幾個是可以加點材料的。
1.2放大
這個方法也很容易想到，但是放大就如同整體加厚。操作請慎重，因為可能造成零件無法匹配，影響功能實現。

為薄弱環節的底座嵌邊
1.3用圓角/斜面平滑過渡
列印過程中，打印頭可能會碰撞到薄片，造成錯層，薄片就更加搖搖欲墜了。採用圓角、斜面或者二者混合，加入到薄弱環節，以保障結實的底座。
【2.0檢查列印配置】
2.1列印方向
只有模型直立，才能列印成功？列印成品最結實的是X和Y軸，而Z軸的強度很大程度上取決於層屬性。有時候，最佳列印角度是呈傾角放置，因為這可以避免層垂直於負載點或面。
2.2層高
層厚較小時，塑膠會被壓扁，X / Y平面的面積增大。下一層材料不是直接貼在上一層的表面，而是高度附著。高度附著意味著更高的層間粘合度，面對Z軸的拉伸符合，零件不易破損。舉例來說，列印同一模型，相比300微米的層厚，100微米的精度具有更強的層間粘合。
2.3填充率和類型
這也是顯而易見的，但有時不會第一時間想到。改變填充百分比、填充物類型，有時候改變角度都可有助於加強3D列印的零件。我們知道填充率超過60-70％是沒有意義的，然而我遇到過一個項目，必須100％填充率列印，因為75％的強度不夠。有一點要注意的是，高於75％的填充率很可能會影響列印件外表面。
2.4周長/殼或殼厚度
提起填充率，就會想起另一個加固方式，那就是增加殼的數量，或分層設置的周長。我們試驗發現，一般來說2或3層殼足矣，但如果某些應用場景負載較高，或者極端局部化，可能需要4層殼。
2.5材料
約有95%的場景下，我們喜歡用ABS材料。而實際桌面3D印表機有多種材料可選，擁有各不相同的強度屬性。ABS是一種強度高、韌性好的塑膠，PLA則更堅硬。有時柔韌的材料更能抗擊衝撞，但是若有幾何硬度要求，那就得PLA上場了。記住， PLA材料很堅硬，相對而言也就比較脆。如需增加耐用性，可用尼龍材料列印。對FDM（熔融沉積成型）印表機而言，Taulman618是相當不錯的尼龍細絲，儘管通常需要一些額外的機器配置。
【3.0後期處理】
3.1環氧樹脂和聚酯樹脂
有時候我們看到的列印件表面效果，是穿了樹脂“馬甲”的塑膠列印件。對幾何結構精度有極高要求，必須呈現尖銳的邊緣，那麼這種處理方式並不適用。有許多不同類型的環氧樹脂或聚酯樹脂，具有不同的材料特性和固化性能。還有各種粘度可選。不要使用環氧樹脂膠。效果不好，會形成凹凸紋理。
我們用的是透明聚酯鑄造樹脂，因為很薄，所以在凝固前能塗遍整個複雜的零件。混合後約5分鐘樹脂開始凝固，約需24小時才能乾燥。為了加固強度，也可以在樹脂混合液中參入玻璃纖維屑，但這可能會影響表面光潔度。下圖顯示了處理前後的差異。

使用聚酯樹脂前

使用聚酯樹脂後
我們對穿上樹脂“馬甲”的模型進行了衝擊測試。二個完全相同的模型，出自相同的印表機，採用相同的配置和列印材料。唯一的區別是一個塗抹了樹脂，另一個“全裸”。穿馬甲的沒有破損；未經處理的零件摔壞了五六處。以後，我們會繼續採用這種技術加固零件。
3.2碳纖維/玻璃纖維層壓
有些零件適合採用碳/玻璃纖維層壓。這種方式不適於複雜模型，因為零件表面完全被纖維網包裹。它特別適合無孔或無間隙的模型。一旦零件被纖維網包裹，環氧樹脂或聚酯樹脂塗抹於網格，加固到位。謹記，此方法會加厚零件。
3.3熱處理
該方法還沒經過測試，但是我們讀過相關報導。據說將零件置於烤箱，或用熱風槍/噴燈重新融化塑膠表面，強化層間粘結。聽起來挺危險的，列印好的零件可能會完全融化，或者使某些部位發生扭曲/變形。如果你打算試試，建議先在較低溫度下操作（如果使用熱風槍，那麼先離原點，再逐漸靠近）。
【4.0鑄模】
4.1石膏鑄件
ABS或PLA材料列印的模型可用於鑄模，可以進行熔模（失蠟）鑄造。具體操作如下，列印後，用熟石膏鑄件。然後，在230℃以上的爐子裡加熱石膏模型，以移除塑膠模型。接著向模腔中注入熔融金屬或塑膠，待其沉澱。最後，用錘子敲破模具，沖洗掉過量的石膏。別忘記，嘗試用這種方法時，零件會略微縮小，所以你需要把模型放大2-3％。

設計，填充->加熱、旋轉->冷卻、打開
4.2滾塑加工
另一選擇是用石膏或矽氧烷模具，進行旋轉塑模。滾塑加工的好處是在冷卻後整體上形成單晶體結構。

向模型腔內注入熔化的塑膠/金屬，合模並在2軸連續旋轉，形成中空。有許多小型/臺式的滾塑機，或者你可以自製一台。常見的桌面滾塑機有一個中心水準旋轉的X軸，固定於Y或Z軸旋轉的機身上。