增强3D打印件强度的实证技术：几何、参数与后处理全方案

3D打印能制造强力聚合物和金属零件。但特定应用可能要求更高强度。设计和材料选择是决定3D打印件强度最关键因素。然而，即使设计良好，若忽略其他简单重要的强度提升技术，零件仍可能在服役中显弱失效。

强化3D打印件有多种技术，可归为三大类：零件几何、打印设置、后处理。

零件几何设计

零件几何在决定3D打印件强度中起关键作用。倒圆和倒角增加边缘机械强度，加强筋和撑条提供结构支撑。

使用倒圆或倒角

倒圆或倒角为3D零件薄壁段提供坚实基础。防止喷嘴撞掉打印件精细部分。

使用加强筋和撑条

加强筋和撑条是从壁或平面垂直突出的薄挤出体。提供支撑增加零件强度。加强筋厚度应为壁厚一半，间距至少为壁厚两倍。避免大高筋，改用多个小筋。

3D打印设置

3D打印工艺最优设置是生产更强零件所需。这些设置包括以下内容。

3D打印填充

填充指3D零件外壳内部材料量。此技术常用于FDM 3D打印增加强度。填充设置两种方式：填充图案和填充密度。

填充图案

这是填充3D打印件内部空间的重复结构。通常隐藏不可见。填充图案有多种风格：三角形、拱形、矩形、蜂窝/六角形、同心圆。拱形填充最适合圆形或圆角零件。矩形填充因平行垂直网格可达100%致密。六角形填充提供最高强度重量比，但打印耗时最长。

填充密度

0%填充无填充，100%填充完全实心。100%填充制造最强零件。但许多情况下这是不必要的材料浪费，增加重量和成本。蜂窝图案最适合50%以下填充，直线图案最适合50%以上。常用填充密度20%-25%。

零件朝向

3D打印件在平行构建腔平面最强，因层内分子键合远大于层间粘结键合。这些是X和Y平面。虽此技术常用于FDM，但也可用于SLA和SLS提升强度。零件朝向取决于零件受力受压部位。

壳厚度

这在强化3D零件中起重要作用。较厚壳使零件更强。FDM打印中，承受重载持续负荷零件最佳壳厚为喷嘴直径3-4倍。大多数3D打印工艺标准最小约1mm厚度。增加厚度可改善抗拉和抗冲击强度。其他3D打印技术推荐厚度请参阅设计指南。

后处理

为进一步增加打印件强度，也可考虑后处理。以下后处理操作能大幅提升3D打印件强度。

退火

退火简单说是加热3D打印件并使其逐渐冷却以消除内应力，获得更韧零件。金属和玻璃可退火，但非所有聚合物可退火。适合退火材料包括PLA、PET和PA 12。

电镀

电镀是后打印技术，将零件浸入水和金属盐溶液。通电时金属阳离子在零件周围形成薄涂层。此技术可用于FDM、SLS、SLA或SCM打印机的3D零件。赋予零件近似金属件机械性能，是多应用中金属3D打印的远廉价替代方案。

但电镀件内部仍为塑料，若加热超内部塑料软化温度，内部强度丧失；即使外部金属不熔化。多种金属可电镀，如锌、铬、镍、铜等。电镀前重要的是对3D零件底漆处理建立适合金属附着的导电表面。石墨常用于底漆。

树脂涂层

环氧树脂或聚酯树脂可用于涂覆3D打印件。环氧涂层是用环氧漆进行的不溶性表面涂层。漆含两化学物质：环氧树脂和固化剂。涂层通常比未涂层件更耐用更强韧。但若零件需极高几何精度和锐利边缘，环氧涂层不适用。聚酯树脂较薄可涂覆复杂零件。涂覆5分钟开始固化，通常24小时完全干燥。树脂涂层可用于任何打印机零件。

碳纤维增强

碳纤维或玻璃纤维也可增强3D零件。碳纤维有优异强度重量比，最适合恒定载荷条件零件。与碳纤维不同，玻璃纤维断裂前会弯曲。纤维可两种方式层压：

• 短纤维增强

此法中纤维切碎混入热塑性塑料改善强度刚度

• 连续纤维增强

此技术中纤维须在热塑性塑料挤出沉积时持续集成。需双喷嘴同步打印。

结语

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