MMF #5：在 3D 打印部件中嵌入组件的指南

Markforged Mechanical Features [MMF] 是一系列博客文章，详细介绍了使用 Markforged 打印机为复合材料增强 3D 打印设计常见传统工程部件和机械特征的最佳实践。

上周，我们探索了套印螺母作为在您的工业强度 3D 打印部件中建立牢固连接的方法。在这篇文章中，我们将更进一步：当零件的不同组件需要不同的材料时，通过使用叠印来设计多材料零件。作为简要概述，套印过程相当简单。您开始打印，中途暂停，将组件嵌入到 3D 打印作业中，然后继续打印，让它在您嵌入的组件上进行 3D 打印。

这可用于开发集成度更高的产品，在 3D 打印部件中嵌入电子元件，当同一组件中需要两种材料以获得所需的材料特性时，可以使用它，或者，在我将在下面解释的情况下，可以用于在大批量生产之前使用更昂贵的制造工艺制造零件的原型。在这篇博文中，我设计了一把 3D 打印的钳子，其钳口可定制，手柄符合人体工学。

对于这对钳子，我想要一个坚硬的身体，但要握得舒服。 Onyx 的握把有点粗糙，但非常坚硬（尤其是纤维增强），所以我使用 Onyx 和玻璃纤维 3D 打印钳子的主体和钳子的钳口，以及舒适、坚韧的尼龙 3D 打印握把。

套印设计从根本上是从装配设计分支出来的：如何让组件组装起来既简单又快捷？因为您是在打印中间嵌入组件，并且打印机需要一个平面来打印并且打印头不能与嵌入的部分相交，所以设计套印因此归结为设计一个好的腔体。所以这里有一份关于带有嵌入式组件的建模和 3D 打印部件的指南。

设计虚空：

正如我之前提到的，在设计叠印时，您会将零件嵌入到空隙中。当您开始零件设计时，您应该从一开始就考虑零件将从哪个面打印，因为您需要知道这一点才能正确嵌入零件。对于这部分，我想将钳子一侧的主体嵌入把手中。所有这些部件碰巧都是 3D 打印的，但对于这种情况，只有把手必须是。如果您要套印零件，您可能需要它完全适合印刷件，或者就像这组钳子的情况一样，您可能只想将零件的一部分放入其中，在这种情况下，您将需要肋或某种其他类型的功能来保持零件的约束，如下所示。

要创建空隙，您需要一个良好的 CAD 模型，包含要 3D 打印的零件和要嵌入的零件，然后创建空隙就像创建布尔运算一样简单：从 3D 中减去要嵌入的零件印刷部分。如果您嵌入的部件具有圆角或倒角顶部边缘，则需要从您正在 3D 打印的部件中移除这些特征——需要一个平坦的天花板。

在 CAD 中，您还需要检查嵌入部件中与构建板或挤出机头相交的特征。如果您嵌入的零件的一部分在腔体上方挤出，则构建板可能会碰到它。考虑到这一点，您应该尝试确保要嵌入的零件具有平坦的顶面，或者挤出距离足够远以确保挤出机头没有机会碰到它，同时考虑到零件的所有运动挤出机头，包括归零和错位检查。在 Mark Two 复合 3D 打印机上，塑料喷嘴距打印头前部约 35 毫米，因此嵌入部件中的任何特征都可能被打印头击中在这些情况下，您必须定位部件，例如嵌入部分向打印机前部突出。如果它从侧面或背面伸出，由于打印头归零和运行错位检查的方式，打印头更有可能撞到它。例如，在我设计的钳子中，钳口的高度高于将要打印把手的平面。夹爪之间的间距刚好超过 35 毫米。

在设计 3D 打印部件时要记住的一个非常重要的步骤是考虑公差。执行布尔运算后，您需要在每个面上将每个面偏移约 0.08 毫米，以确保您将获得与此部分将暂停的图层齐平的表面。这也适用于空腔的壁——如果您因为空腔太小而无法将您的零件安装在空腔内，那么除非您打印一个新的，否则您将无法修复它！安全总比后悔好，设计腔体有点大。

如果您的顶面是奇怪的几何形状，您需要设计一个辅助嵌件以添加到型腔中，以确保与嵌入零件的顶面形成牢固的配合。这个过程在我上周的嵌入式坚果博客文章的后半部分进行了解释，完全相同的过程可以用于其他组件。如果您不想这样做，解决此问题的一种方法是使插入部件上方的空腔天花板成角度，但这意味着该部件可能会在 3D 打印部件内松动，具体取决于其几何形状。

通常，在设计叠印时，我尽量避免使用支撑材料。但是，在某些情况下，这是设计所必需的，这不是问题：在放入嵌入式组件之前，可以轻松地将支撑材料从腔体中移除。

在 Eiger 中添加暂停：

在 Eiger 的内部视图菜单中，您可以轻松地在选定图层后添加暂停，从而轻松将零件嵌入 3D 打印组件中。找到腔顶部开始打印之前的图层，然后单击“在图层后暂停”在该图层上，您可以记下到达暂停所需的时间并使用该时间来确定何时检查您的打印工作。

请记住，如果您的零件不需要支撑材料，最好关闭支撑。但是，如果他们这样做了，那很好！您将能够删除它们，我稍后会解释。

当您在构建板上定位您的零件时，请记住零件的可访问性。您将希望能够快速弹出零件并继续打印，因此您可以调整零件的方向，以便您可以轻松到达它。对于这部分，我将它一直放在前面，这样我就可以轻松地卡入钳子的主体。

添加零件：

当需要将零件添加到打印件时，时间和速度是关键。由于 Markforged 打印机是 FFF（熔丝制造）机器，塑料被加热、挤出和冷却。当它冷却时，它会稍微收缩，如果打印暂停足够长的时间，会导致该平面上的层附着力变弱。将零件放入打印作业时，您希望尽快完成以降低这种风险。使用 Eiger，您可以估计打印机暂停的时间，这样您就可以准时出现并为打印机暂停时做好准备。正如我之前所解释的，由于设计中的其他功能，可能需要支持材料。例如，这个把手需要支撑，因为它有一个复杂的底面。在我的例子中，我设计的空隙会被支撑物填满，但这不是问题——如果发生这种情况，你可以在插入零件之前将它们拉出来。

现在是时候将零件放入打印件中了。这就是公差如此重要的原因。您需要确保嵌入的组件完全齐平或略低于打印暂停的层。如果它稍微抬起，您的打印头会卡在嵌入的组件上并弄乱整个打印件，或者在尝试在组件上打印时灯丝会卡住。

当 Markforged 3D 打印机上的打印暂停时，打印头移开，让您可以轻松地从打印机上取下构建板并添加您的零件。运动学耦合的构建板可确保打印床在您想要继续时立即卡回原位。

如果您添加的组件不是 Markforged 3D 打印部件，则需要在部件的顶面添加一层胶水。这种胶水通常在打印开始时涂在构建板上，以帮助构建板粘附，在这种情况下，我们出于完全相同的原因使用它——尼龙会更好地粘附在部件的顶面上。

在打印了其中的两个并在接头处卡入一个小别针后，我现在有一对 3D 打印的钳子，带有可定制、可更换的钳口和符合人体工程学的把手！

如果你想自己制作这些，这里是文件：

钳子和针式多功能一体机（需要玛瑙和玻璃纤维）

握把多功能一体机（需要尼龙）

定制 JAW MFP（需要尼龙）

钳子STL

引脚STL

握把STL

自定义下颌 STL

其他应用：

套印的应用范围很广，因为它允许您创建完全集成的组件，而其他方式无法创建。虽然此示例表示嵌入组件的一部分以创建符合人体工程学的抓握，但您也可以嵌入整个组件并应用相同的规则。例如，您可能想要制作一个最终会被包覆成型的零件的原型，或者您可能想要为集成机电系统创建一个带有嵌入式电子设备的零件。您可能希望将隐藏的螺母或轴承嵌入 3D 打印部件，或使用单个塑料挤出机 3D 打印机创建多材料构建。如果您尝试过在 3D 打印部件中套印和嵌入组件，请在 Twitter、Instagram 或 Facebook 上与我们分享！