在過去的四年里，大幅面增材制造 (LFAM) 技術(shù)已從一種新穎的技術(shù)方法發(fā)展成為一種穩(wěn)健可靠的制造技術(shù)。LFAM 使用顆粒原料以每小時(shí)25磅以上的沉積速度3D打印部件，進(jìn)而打印出每個(gè)重達(dá)數(shù)百甚至數(shù)千磅的大型部件。該工藝的顆粒原料通常是熱塑性復(fù)合材料，由熱塑性樹脂與短碳纖維或玻璃纖維組成。

材料、設(shè)備和打印供應(yīng)商的成功經(jīng)驗(yàn)使得該技術(shù)得到了更廣泛、更穩(wěn)健的采用。Airtech、CEAD、SABIC、Thermwood 和 Additive Engineering Solutions (AES) 等行業(yè)公司之間的合作進(jìn)一步推動(dòng)了增材技術(shù)的采用和認(rèn)可。隨著越來越多項(xiàng)目的成功完成，人們的認(rèn)知度不斷提升，越來越多的公司正在探索 LFAM 如何幫助他們實(shí)現(xiàn)成本、質(zhì)量和交付周期目標(biāo)。遺憾的是，該技術(shù)的新用戶和潛在客戶遇到的第一個(gè)障礙是缺乏能夠讓他們快速上手該技術(shù)設(shè)計(jì)指南。制定有效的 LFAM 設(shè)計(jì)和制造策略對(duì)于行業(yè)參與者的進(jìn)一步成功至關(guān)重要，重涂溫度、部件方向和焊道幾何形狀是成功且可靠的大幅面增材制造 (LFAM) 工藝需要考慮的一些關(guān)鍵設(shè)計(jì)變量。

LFAM熔頭的特寫，用筆作參考。

熔頭幾何形狀選擇

從歷史上看，增材制造 (AM) 設(shè)計(jì)對(duì)于熔融沉積成型 (FDM) 的重要性不如其他類型的 AM。桌面 FDM 機(jī)器的用戶，無論是消費(fèi)者還是專業(yè)人士，通常都能夠根據(jù)規(guī)格在 CAD 中設(shè)計(jì)零件，并期望該設(shè)計(jì)能夠進(jìn)行編程（即“切片”）并在 3D 打印機(jī)上打印。這種合理的預(yù)期部分源于這些小型機(jī)器生產(chǎn)的珠子尺寸和層數(shù)與通常生產(chǎn)的零件相比極小。在這種情況下，用戶選擇所需的周邊融頭數(shù)量和填充設(shè)置，而切片程序會(huì)針對(duì)通常為 0.016 英寸寬和 0.006 英寸高的熔頭輸出密集的刀具路徑迷宮。使用這種尺寸的熔頭，通常無需修改即可打印零件。

使用 LFAM，熔頭尺寸范圍為 0.25 至 1 英寸寬和 0.050 至 0.25 英寸厚，典型的熔頭尺寸為 0.75 英寸寬 × 0.2 英寸厚。這種熔頭的橫截面積約為傳統(tǒng) FDM 熔頭的 1,500 倍，傳統(tǒng) FDM 通常為未填充的熱塑性塑料，而 LFAM熔頭是纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料。由此產(chǎn)生的熔頭相對(duì)于要打印的幾何形狀也大得多。由于這種關(guān)系，必須在開始設(shè)計(jì)之前確定將用于制造的熔頭幾何形狀，因?yàn)槿垲^的幾何形狀將決定可實(shí)現(xiàn)的壁厚等變量。例如，考慮一個(gè)設(shè)計(jì)為具有 2 英寸寬的壁的部件，但要使用 0.75 英寸寬 × 0.2 英寸高的熔頭進(jìn)行打印。當(dāng)使用典型的 LFAM 切片機(jī)處理此設(shè)計(jì)時(shí)，它將生成一條兩倍熔頭寬的路徑，但熔頭之間會(huì)有一個(gè) 0.5 英寸的空隙。出現(xiàn)此空隙的原因是壁設(shè)計(jì)得比兩倍熔頭寬但比三倍熔頭窄。在這種情況下，如果設(shè)計(jì)師知道將使用 0.75 英寸寬的熔頭，則應(yīng)將壁厚減小到 1.5 英寸（兩倍熔頭寬度），增大到 2.25 英寸（三倍熔頭寬度），或者與制造部門討論將所用的熔頭寬度更改為所需壁厚的倍數(shù)。

傳統(tǒng) FDM 設(shè)計(jì)與 LFAM 設(shè)計(jì)之間存在一些重疊的領(lǐng)域是使用自支撐角。與傳統(tǒng) FDM 類似，大多數(shù)熔頭尺寸都可以打印高達(dá) 45° 的自支撐角。如果設(shè)計(jì)需要更淺的支撐角，則可以通過使用具有更大寬厚比的熔頭來實(shí)現(xiàn)。在確定設(shè)計(jì)的熔頭尺寸時(shí)，這一點(diǎn)非常重要。

雙熔頭設(shè)計(jì)

切片、方向和支撐

在 LFAM 設(shè)計(jì)過程中，必須考慮的另一組問題是切片策略、打印床方向以及打印模型上支撐的使用。傳統(tǒng)的 FDM 理論通常允許以各種可接受的方向打印部件。這些方向是通過大量使用自動(dòng)生成和放置的支撐結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)的，這些支撐結(jié)構(gòu)很容易用手剝離或溶解在液體中。在 LFAM 中，這種支撐結(jié)構(gòu)生成功能基本上不存在，而且在幾乎所有情況下都不切實(shí)際（除非您可以使用池子溶解支撐結(jié)構(gòu)）。缺乏支撐結(jié)構(gòu)使得難以或不可能形成較大的、無支撐的懸垂結(jié)構(gòu)。因此，這些部件必須設(shè)計(jì)為基本上自支撐的，通常采用前面描述的自支撐角度。

此外，許多傳統(tǒng)上需要支撐結(jié)構(gòu)的部件現(xiàn)在可以在構(gòu)建平臺(tái)上定向，從而使關(guān)鍵幾何形狀能夠自支撐。這通常會(huì)導(dǎo)致非傳統(tǒng)的構(gòu)建方向，但可以打印關(guān)鍵特征。這些方向帶來的一個(gè)挑戰(zhàn)是重心偏移，這可能導(dǎo)致部件在打印過程中翻倒。在這種情況下，設(shè)計(jì)師可以選擇添加一個(gè)簡單的支撐結(jié)構(gòu)，類似于支架，以幫助在整個(gè)打印過程中支撐部件。

LFAM 的另一個(gè)特性是使用傾斜切片平面，這使得設(shè)計(jì)師能夠打印原本難以控制的幾何形狀。如果我們認(rèn)為傳統(tǒng)的 FDM 打印機(jī)具有“水平切片平面”（與平坦構(gòu)建板平行的切片平面），那么傾斜切片平面會(huì)將切片平面旋轉(zhuǎn)一定角度，通常與傳統(tǒng)水平面成 45° 角。如前所述，LFAM 通常僅限于 45° 自支撐角度。通過將構(gòu)建平面旋轉(zhuǎn) 45° 并加入 45° 懸垂部分，設(shè)計(jì)師可以在設(shè)計(jì)中融入完整的 90°（垂直）特征。

最簡單的設(shè)想方法是考慮一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的六面空心盒幾何形狀。使用傳統(tǒng)的水平打印，可以打印底部和四個(gè)側(cè)壁。然而，盒子的頂部會(huì)成為一個(gè)問題，因?yàn)樗且粋€(gè)無支撐的表面，沉積的樹脂會(huì)直接落到打印盒的底部。如果用 45° 切片平面對(duì)相同的幾何形狀進(jìn)行切片，垂直壁以及頂部和底部表面都將與標(biāo)準(zhǔn)切片平面形成 45° 懸垂部分，空心六面盒現(xiàn)在就可以打印了。

熱管理

影響 LFAM 打印成敗的最后一個(gè)因素是關(guān)鍵熱管理因素（例如層重涂溫度）的管理水平。這導(dǎo)致了 LFAM 打印中一種特殊的“金發(fā)姑娘”效應(yīng)，即先前沉積層的溫度（通常稱為重涂溫度）既不能太高也不能太低。如果重涂溫度過高，部件很可能在打印過程中塌陷變形，甚至可能在構(gòu)建過程中完全失效。如果重涂溫度過低，層間結(jié)合強(qiáng)度會(huì)受到影響，并且根據(jù)重涂溫度過低的程度，部件可能會(huì)出現(xiàn)珠粒之間的分層。

為了進(jìn)一步提高熱管理的復(fù)雜性，每種熱塑性復(fù)合材料都有其獨(dú)特的重涂溫度范圍。通常，最低重涂溫度等于熱塑性復(fù)合材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度 (Tg)。為了有效管理重涂溫度，強(qiáng)烈建議使用熱像儀提供實(shí)時(shí)反饋并記錄部件的熱歷史，以便日后分析。這種熱反饋對(duì)于打印過程中調(diào)整部件至關(guān)重要。

這里顯示的是來自熱像儀的讀數(shù)示例，它使AES能夠測量和管理涂層溫度

有效的熱管理需求對(duì)復(fù)合材料部件設(shè)計(jì)構(gòu)成了挑戰(zhàn)，因?yàn)橹挥性谠O(shè)計(jì)完成、部件切片并開始打印后才能知道熱像儀數(shù)據(jù)。這是 LFAM 經(jīng)驗(yàn)真正發(fā)揮作用的一個(gè)領(lǐng)域。如果缺乏經(jīng)驗(yàn)，建議在設(shè)計(jì)過程的早期進(jìn)行 10-20 層的短期打印測試，以測量特定幾何形狀的熱特性。這些數(shù)據(jù)對(duì)于改進(jìn)設(shè)計(jì)非常有價(jià)值。熱管理也是在設(shè)計(jì)早期確定珠子幾何形狀的另一個(gè)原因，因?yàn)檩^大的珠子往往比較小的珠子保留更多的熱量并且冷卻得更慢。最后，盡量保持每層打印壁厚一致也很重要。例如，如果一個(gè)工具的設(shè)計(jì)采用 0.75 英寸寬 × 0.2 英寸厚的焊道，且工具面板設(shè)計(jì)為 3 英寸寬（四個(gè)焊道寬），但備用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為單個(gè)焊道寬度，則該部件在四個(gè)焊道壁和單個(gè)焊道壁之間的冷卻速度差異會(huì)非常大，制造難度會(huì)非常高。

最終，特定材料和焊道尺寸的可接受重涂溫度范圍將決定能夠成功設(shè)計(jì)和打印的部件的最大和最小尺寸。

著眼于最終目標(biāo)

在進(jìn)行 LFAM 設(shè)計(jì)時(shí)，務(wù)必牢記設(shè)計(jì)的最終目標(biāo)，然后逆向推導(dǎo)，考慮關(guān)鍵設(shè)計(jì)變量，例如重涂溫度、部件方向和焊道幾何形狀。如果在完成實(shí)際 CAD 設(shè)計(jì)之前就考慮到這些因素，LFAM 的成功幾率就會(huì)大大提高。