大型3D打印–終極指南

魔猴君  知識(shí)堂   376天前

隨著機(jī)器制造商利用新型打印機(jī)突破技術(shù)界限，打印更多、打印更大，3D打印機(jī)每年都變得越來越大。

本文，魔猴網(wǎng)和大家一起從想要打印的具體物品的角度來看看大型打印意味著什么：

展示、道具和標(biāo)牌

房屋和建筑元素

工業(yè)及金屬零件

家具和車輛

一、展示、道具和標(biāo)牌

荷蘭Naturalis生物多樣性中心擁有自己的3D打印實(shí)驗(yàn)室

并使用兩臺(tái)Builder Extreme 1500 Pro 3D打印機(jī)生產(chǎn)了霸王龍的復(fù)制品（來源：Naturalis）

沒有霸王龍的恐龍博物館算什么博物館？日本恐龍博物館既買不到也挖不出，于是只好求助于下一個(gè)最好的辦法--根據(jù)真實(shí)霸王龍化石的3D掃描結(jié)果進(jìn)行3D打印。這個(gè)長(zhǎng)12米、高5米的真人大小的復(fù)制品是用兩臺(tái)Builder Extreme大型3D打印機(jī)以聚乳酸塑料絲為材料打印出來的。如果用模塑的方法制作展示品，所需的時(shí)間會(huì)比3D打印長(zhǎng)很多，成本也會(huì)更高，而且霸王龍也會(huì)重得多。

博物館館長(zhǎng)、電影布景和道具設(shè)計(jì)師、游樂園、會(huì)展和博覽會(huì)展示制作商等無數(shù)人都在使用大型3D打印機(jī)來加快生產(chǎn)速度。除了速度和成本優(yōu)勢(shì)外，在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）軟件中創(chuàng)建數(shù)字模型之外，無需任何雕刻或藝術(shù)天賦。此外，3D打印機(jī)還可使用多種材料，從超輕泡沫到極其耐用的碳纖維填充尼龍，應(yīng)有盡有。

藝術(shù)家們正在為2020年迪拜世博會(huì)重建的17英尺高的米開朗基羅《大衛(wèi)》3D打印復(fù)制品涂上石膏

（來源：2020年意大利世博會(huì)）

請(qǐng)看這個(gè)17英尺高的米開朗基羅《大衛(wèi)》3D打印孿生作品（上圖），它在2020年迪拜世博會(huì)上展出，旨在促進(jìn)佛羅倫薩的旅游業(yè)。由于不可能有足夠大的聚合物3D打印機(jī)來一體打印出具有超精細(xì)細(xì)節(jié)的復(fù)制品，因此只能將其分成14塊打印件，然后手工組裝。大理石的外觀來自于一層含有大理石粉末的手繪石膏。

3D打印的《大衛(wèi)》內(nèi)部是一個(gè)晶格結(jié)構(gòu)，這有助于將其重量控制在550千克，約為原始大理石《大衛(wèi)》的11%，但其強(qiáng)度足以進(jìn)行包裝和運(yùn)輸。

德國的Styles Werbetechnik使用Tractus3D大型FDM打印機(jī)比傳統(tǒng)方法更快地生產(chǎn)發(fā)光標(biāo)牌字母（來源：Tractus）

德國標(biāo)識(shí)制作公司Styles Werbetechnik采用大規(guī)模3D打印技術(shù)制作戶外標(biāo)識(shí)和通道刻字有幾個(gè)原因。該公司不僅希望加快生產(chǎn)速度，還希望在公司內(nèi)部進(jìn)行字母制作，不再依賴海外生產(chǎn)商提供的標(biāo)準(zhǔn)字母設(shè)計(jì)。該公司表示，聚合物FDM打印為異形字母的制造提供了無限的設(shè)計(jì)可能性。例如，傳統(tǒng)方法將發(fā)光字的深度限制在最小60毫米，而3D打印則將深度減少到30毫米。由于3D打印機(jī)在生產(chǎn)過程中無需看管，因此也可以在夜間和周末運(yùn)行，從而加快了生產(chǎn)時(shí)間。

史密森尼博物館3D打印了120個(gè)真人大小的STEM領(lǐng)域女性領(lǐng)袖雕像（來源：IF:THEN）

去年春天，位于華盛頓特區(qū)的史密森學(xué)會(huì)（Smithsonian Institute）舉辦了一個(gè)向女科學(xué)家致敬的展覽（上圖），其中包括120個(gè)真人大小的3D打印女科學(xué)家雕像。該展覽名為"IfThenSheCan-The Exhibit"，是有史以來在同一時(shí)間、同一地點(diǎn)展出的最大規(guī)模的女性雕像集合。每個(gè)雕像都是使用FDM技術(shù)打印出來的。

二、房屋和建筑元素

Icon的3D打印可持續(xù)零號(hào)屋（來源：Icon）

最大的3D打印項(xiàng)目是房屋，而且規(guī)模逐年擴(kuò)大。幾年前，人們剛剛打破了兩層樓的障礙，而現(xiàn)在的目標(biāo)是要達(dá)到更高的樓層。

雖然只有極少數(shù)建筑是3D打印出來的，而且往往需要或結(jié)合鋼筋加固或傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)建筑等結(jié)構(gòu)支撐，但由于其速度快、節(jié)省勞動(dòng)力和建筑耐用等優(yōu)點(diǎn)，從住宅到酒店，該技術(shù)正在進(jìn)入各個(gè)項(xiàng)目。事實(shí)上，全球建筑3D打印市場(chǎng)（不久前還不存在）預(yù)計(jì)將在未來五年增長(zhǎng)近20%。

下面這座由建筑設(shè)計(jì)和工程公司漢納（Hannah）和西維（Cive）設(shè)計(jì)、Peri 3D建筑公司提供3D打印機(jī)的兩層建筑展示了建筑3D打印的工程壯舉。這座4000平方英尺的住宅已經(jīng)賣給了一位匿名競(jìng)標(biāo)者，總共需要兩年時(shí)間才能完工。Peri的Cobod Bod2龍門式打印機(jī)是3D打印建筑界家喻戶曉的品牌，它用于將專用的混凝土混合物擠壓成樓梯間和其他功能性結(jié)構(gòu)，總共耗時(shí)330個(gè)活躍打印小時(shí)。

美國第一座完全3D打印的兩層房屋位于休斯頓（來源：Hannah）

除了建筑施工，3D打印機(jī)還廣泛應(yīng)用于建筑元素，包括外墻和用于修復(fù)的歷史裝飾，以及室內(nèi)裝飾，包括墻壁、展示架和房間隔斷。甚至還有3D打印地板、3D打印橋梁和3D打印人工珊瑚礁。

混凝土類材料并不是建筑中的唯一選擇，聚合物也發(fā)揮著作用。Branch Technology公司專注于使用機(jī)械臂聚合物擠出機(jī)進(jìn)行大規(guī)模3D打印，可制作從雕塑到太空棲息地的各種作品。其名為BranchClad的創(chuàng)新建筑面板系統(tǒng)為建筑外墻帶來了新的機(jī)遇。請(qǐng)看安裝在美國太空與火箭中心新太空營運(yùn)營中心側(cè)面的月球表面（下圖）。這些外墻采用月球數(shù)字掃描技術(shù)制作而成，與月球表面的逼真程度令人驚嘆。月球圖案的正模是3D打印出來的，然后涂上灰泥材料。

Branch Technology的新型3D打印月球墻安裝在美國太空和火箭中心新太空營作業(yè)區(qū)的側(cè)面

（來源：Branch Technology）

三、工業(yè)及金屬零件

Relativity Space的Stargate金屬3D打印機(jī)（來源：Relativity Space）

火箭制造商Relativity Space聲稱其3D打印火箭Terran 1是有史以來最大的單個(gè)3D打印結(jié)構(gòu)，他們可能是對(duì)的。在最近的發(fā)射和海洋"登陸"之前，它高35.2米，直徑2.3米。該公司的下一枚火箭Terran R也同樣巨大。這兩枚火箭都是用該公司的星際之門3D打印機(jī)以專有金屬3D打印而成的，該打印機(jī)采用了機(jī)械臂線材定向能沉積技術(shù)。

該公司表示，火箭能夠承受發(fā)射壓力是一大成功，證明了其金屬3D打印方法的結(jié)構(gòu)完整性。

荷蘭王后馬克西瑪正式揭幕MX3D金屬3D打印橋梁。攝影：Adriaande Groot（來源：MX3D）

這座橫跨阿姆斯特丹運(yùn)河的金屬橋（上圖）由Joris Laarman實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)，由MX3D使用機(jī)械臂線弧增材制造技術(shù)打印而成。這座12米長(zhǎng)的不銹鋼"智能橋"包含一個(gè)嵌入式傳感器網(wǎng)絡(luò)，將幫助阿姆斯特丹的研究人員研究物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)在建筑環(huán)境中的作用。該結(jié)構(gòu)的開發(fā)采用了生成設(shè)計(jì)和拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)其令人驚嘆的設(shè)計(jì)，同時(shí)使其更加輕巧。不過，它并不是永久性的。

MX3D橋梁的美感彰顯了金屬3D打印在藝術(shù)和雕塑領(lǐng)域的應(yīng)用。下圖是藝術(shù)家Mariagrazia Abbaldo和Paolo Albertelli安裝在意大利都靈皇家花園的另一件MX3D打印作品。這座重達(dá)880公斤的雕塑名為"鯨魚通道"，它展示了鯨魚從地面躍出的鰭，仿佛它們就在公海上。藝術(shù)家們之所以選擇金屬3D打印技術(shù)制作最終作品，部分原因是這一技術(shù)遵循了他們的設(shè)計(jì)流程。項(xiàng)目期間制作的所有模型都是3D打印出來的。

“鯨魚通行證”由Mariagrazia Abbaldo和Paolo Albertelli設(shè)計(jì)，由MX3D 3D打印（來源：Studio C&C）

縱觀工業(yè)用大型金屬3d打印，船舶、石油天然氣和重型建筑設(shè)備行業(yè)的公司能夠更快地生產(chǎn)大型部件，而且往往是在現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)。例如，下圖中的船用螺旋槳就是使用WAAM技術(shù)3D打印而成，其形狀接近凈形，然后再進(jìn)行加工，以達(dá)到更嚴(yán)格的公差要求。在這種情況下，WAAM替代了鍛造，可以使用更少的原材料在更接近需求的地方完成。

該船用螺旋槳是WAAM技術(shù)工業(yè)應(yīng)用的首批示例之一（來源：RamLab）

3D打印金屬還可以使零件重量更輕，因?yàn)?/span>3D打印可以制造出鍛造或鑄造無法實(shí)現(xiàn)的形狀。據(jù)打印機(jī)制造商SLM Solutions稱，飛機(jī)起落架部件（下圖）的尺寸為455 x 295 x 805毫米，是世界上首個(gè)同尺寸的激光粉末床熔融3D打印部件。該部件不僅比傳統(tǒng)鍛造部件輕15%，而且該技術(shù)還縮短了周轉(zhuǎn)時(shí)間。

由于該部件是將負(fù)載從車輪傳遞到飛機(jī)結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)的一部分，因此它是用鈦制造的，以提高強(qiáng)度。材料的選擇使該部件具有很強(qiáng)的機(jī)械性能，同時(shí)無需涂層即可耐腐蝕。該部件使用四激光SLM 800 3D打印機(jī)打印而成。

"快速成型制造通過快速提供用于測(cè)試的部件，有助于節(jié)省鑒定和認(rèn)證階段的時(shí)間。SLM Solutions全球服務(wù)和解決方案執(zhí)行副總裁Gerhard Bierleutgeb說："與鍛造工藝的幾個(gè)月相比，我們能夠在幾天內(nèi)生產(chǎn)出主配件。

3D打印私人飛機(jī)前起落架部件（來源：SLM）

用于鑄造金屬零件的3D打印大型模具是3D打印技術(shù)的另一種應(yīng)用，它更偏重于尺寸。對(duì)于必須鑄造的金屬工業(yè)部件來說，模具制造步驟是勞動(dòng)密集型且耗時(shí)的。使用砂型3D打印機(jī)，制造商可以直接3D打印砂型鑄件和模具，而無需全尺寸模型。Voxlejet公司的VX4000（下圖）是世界上最大的砂模3D打印機(jī)，它采用了粘合劑噴射技術(shù)，不僅能打印出巨大的模具，還可能在一次打印過程中打印出數(shù)千個(gè)模具。

Voxlejet的VX4000砂型3Df打印機(jī)（來源：Voxeljet）

四、家具和車輛

NatureWorks的Piegatto Truss椅子采用天然琥珀生物聚合物制成

使用WASP 3D打印機(jī)作為一件進(jìn)行3D打印。（來源：Piegatto）

室內(nèi)設(shè)計(jì)師正在轉(zhuǎn)向大型3D打印，以實(shí)現(xiàn)他們對(duì)復(fù)雜設(shè)計(jì)和獨(dú)特材料的想象。聚合物，尤其是再生塑料，是3D打印家具使用最多的材料，但也有混凝土和金屬材料。

岡比亞的這張兒童尺寸的課桌（下圖）就是3D打印解決實(shí)際需求的一個(gè)例子。這種設(shè)計(jì)輕巧耐用，可以用回收塑料制作，也解決了塑料垃圾問題。這個(gè)模型是在瑞典The Industry公司的Magnum 3D打印機(jī)上用常用于飲料瓶的PETG塑料打印出來的。

岡比亞測(cè)試3D打印學(xué)校家具概念的原型書桌，可能使用再生塑料（來源：瑞典工業(yè)協(xié)會(huì)）

精美的3D打印桌椅不勝枚舉，但最近的一些例子包括NYXO Visionary Design公司使用Colossus XS 3D打印機(jī)打印的輕質(zhì)發(fā)泡聚乳酸材料制作的可愛茶幾系列（下圖）。

Primavera系列雕塑桌由迪拜建筑和產(chǎn)品設(shè)計(jì)公司NYXO Visionary Design設(shè)計(jì)，并在Colossus XS打印機(jī)上使用ColorFabb PLA進(jìn)行打?。▉碓矗篊olossus）

作為最大的3D打印船和迄今為止最大的實(shí)體3D打印物品被載入《吉尼斯世界紀(jì)錄大全》的是下面這個(gè)長(zhǎng)7.72米的標(biāo)本。該船由緬因州大學(xué)先進(jìn)結(jié)構(gòu)和復(fù)合材料中心于2019年打印而成，由塑料和木纖維素制成，僅用72小時(shí)就完成了3D打印，重2.2噸，是的，它確實(shí)能浮起來。

由緬因大學(xué)生產(chǎn)的完全3D打印的真實(shí)大小的船（來源：緬因大學(xué)）

在過去的幾年里，自行車制造商已經(jīng)開始采用3D打印技術(shù)來解決其生產(chǎn)鏈中最大的問題--焊接。單件3D打印車架不僅節(jié)省時(shí)間，還能實(shí)現(xiàn)不受結(jié)構(gòu)連接限制的全新設(shè)計(jì)自由度。自行車制造商已經(jīng)生產(chǎn)出了鈦合金、鋼和碳纖維復(fù)合材料的車型。

下面這款來自Urwahn的鋼架電動(dòng)自行車采用金屬3D打印技術(shù)批量生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)了外形、功能、輕質(zhì)結(jié)構(gòu)和材料之間的平衡。該公司表示，特殊的車尾可以彈性地懸掛后輪，帶來全新的騎行舒適感，而鋼架則集成了電機(jī)和電池。

Urwahn的3D打印鋼架電動(dòng)自行車（來源：Urwahn）

五、大型3D打印的設(shè)計(jì)技巧

由White Clouds打造的30英尺高的3D打印雕像由365個(gè)單獨(dú)的3D打印部件組裝而成，每個(gè)部件需要28小時(shí)在55臺(tái)3D打印機(jī)上打?。▉碓矗篧hite Clouds）

一體3D打印通常是最理想的選擇。它省去了裝配勞動(dòng)，加快了生產(chǎn)速度，而且由于沒有接縫或貌似接縫的地方，可以提高結(jié)構(gòu)的完整性。

但是，如果您的物體太大，即使是最大的機(jī)器也無法承受，這時(shí)您就需要將其分割成若干塊。讓我們來看看完成拼圖打印的最佳方法，以確保完美契合。

Jason Kongchouy和他位于澳大利亞珀斯的模型制作團(tuán)隊(duì)CDM-Studio使用BigRep大幅面打印機(jī)，但仍然需要對(duì)模型鯊魚進(jìn)行分割（來源：CDM-Studio）

如何將模型分割成3D打印塊

要完成大規(guī)模3D打印，可以直接在CAD軟件（如Fusion360或Solid Works）中分割模型，這樣做的好處是可以設(shè)計(jì)一些裝配和對(duì)齊輔助工具，如釘、凹凸槽、唇邊或孔槽。

如果您只是打算用膠水將大型物體粘在一起或使用螺釘（螺釘只適用于更堅(jiān)固的材料，如填充碳纖維的尼龍），您可以將分割工作交給Cura等切片工具來完成。使用Cura的網(wǎng)格工具可以快速自動(dòng)地進(jìn)行分割。

手動(dòng)分割數(shù)字模型時(shí)，應(yīng)避免直接穿過細(xì)節(jié)區(qū)域的切割，分割模型時(shí)應(yīng)盡量減少所需的支撐。您可能需要避免在設(shè)計(jì)中最薄弱的地方進(jìn)行分割，即那些比模型其他部分薄得多的區(qū)域。

編譯整理：ALL3DP