大家好，我是 Niko Mroncz，Xometry 择幂科技销售工程总监。我自 2010 年以来一直从事 3D 打印工作。在审核了无数 FDM 打印项目后，我总结出了最常见的导致打印失败、部件脆弱或材料过度消耗的设计缺陷。在本文中，我将分享实用建议，助您设计出更坚固高效的FDM 3D打印方案。
熔融沉积成型 (FDM) 是性价比最高的 3D 打印技术之一，因此成为原型开发、功能测试和小批量生产的首选方案。然而当需要更大批量生产、更优重复精度或更快生产速度时，应选用工业级工艺如 SLS 或 MJF 成型技术（搭配 PA12 等工程材料）。虽然 FDM 技术通用性极强，但其打印速度相较于这些工业技术存在明显局限，因此不适合大规模连续生产。但凭借其成本优势和丰富的材料选择，FDM 依然是众多应用场景中的理想解决方案。
若要获得高质量的 FDM 打印零件，遵循正确的设计准则是关键。许多常见问题——如翘曲、层粘合不牢或材料浪费——往往源自设计缺陷。关注支撑结构的合理性、最佳壁厚设计和边缘圆角处理等因素，可有效避免缺陷并增强零件强度。以下是需要牢记的 FDM 设计要点。
1 确保合理的壁厚设计
在 FDM 3D 打印中，最常见的错误之一是壁厚设计过薄或过厚。壁厚过薄会导致零件翘曲变形，需要使用支撑结构，从而增加生产成本。而设计过厚的壁体则需要消耗更多材料进行制造。为有效控制成本，您需要对设计进行优化。
经验法则：
- 壁厚至少设计为 1.00-1.50 mm，或三倍喷嘴直径的厚度。
- 使用交叉网格内部结构代替实心壁以减少材料消耗和重量。
2 优化悬垂结构与桥接结构
FDM 3D 打印采用逐层堆积的制造原理，即每一层新打印的结构都必须有足够的下层材料作为支撑。悬垂结构——向外延伸的突出特征，和桥接结构——跨接在间隙之上的特征，二者由于下方缺乏直接支撑，若未经合理设计，极易发生熔融材料下垂、翘曲或表面粗糙等缺陷。这种现象的成因在于热塑性材料在挤出时呈现半液态特性，若无充分基底材料支撑，在完全固化前就会在重力作用下产生形变。
为保证打印质量并避免上述缺陷，设计师应尽可能减少无支撑的悬垂/桥接结构，或合理运用支撑结构。
经验法则：
- 当悬垂角度超过最大允许角度 45° 时需添加支撑
- 跨度超过 5 mm 的桥接结构需要额外支撑或进行设计调整。
- 倒角或圆角处理可提升悬垂结构的可打印性。
3 通过合理设计减少翘曲变形
翘曲变形是 FDM 3D 打印最常见的缺陷之一，当打印件冷却不均导致材料收缩和形变时就会发生这种现象。热塑性塑料冷却时会轻微收缩，如果不同区域冷却速率不一致，就会产生内应力，导致打印件从构建板翘起或发生扭曲。这种情况在打印大面积平面结构和热膨胀系数高的材料（如 ABS）时尤为明显。
经验法则：
- 优化材料选择（如，PLA 或 PETG 的翘曲情况要低于 ABS）。
- 避免大面积平面设计——增加圆角或倒角以减少内应力。
- 使用边缘扩展、底筏或裙边来增强构建板附着力。
4 明智使用支撑结构
支撑结构对于打印复杂几何体、悬垂和桥接部分是必要的，但不当放置的支撑材料会难以去除、留下表面瑕疵，并增加打印时间。与其依赖过多支撑，优化零件方向和减少支撑材料有助于提高打印质量，并降低后处理操作的需求。
经验法则：
- 调整零件方向以减少对支撑的需求。
- 使用树状或可溶支撑以便于去除。
- 将支撑放置在远离关键表面的位置，以最大程度减少后处理。
5 基于强度和表面质量调整零件方向
FDM 零件因层间粘合限制，在 Z 轴方向上强度最弱。这意味着当零件承受拉伸或弯曲力时，往往会沿着打印层断裂。此外，打印方向会影响表面光滑度——在曲面和倾斜表面上，可见的层纹会更明显。
经验法则：
- 易碎特征应始终平行于打印平台。
- 将孔洞垂直定向以减少对支撑结构的需求。
- 将曲面或倾斜表面对齐平行于打印平台，以最大程度减少阶梯纹。
6 配合部件的适当间隙
FDM 3D 打印中的配合部件需要谨慎设计间隙，以确保既不会因粘连而无法分离，也不会因间隙过大而过松。
由于热膨胀、层间偏差及打印机公差等因素，按理论尺寸设计的零件可能出现意外的配合问题。
经验法则：
- 过盈配合需留 0.15 mm 间隙。
- 滑动配合需留 0.2–0.3 mm 间隙。
- 若需将多个部件作为组件整体打印，建议保持一致的打印方向。同时确保配合表面垂直于打印平台（即垂直方向）。
- 若无法满足最小间隙要求，可考虑将复杂 3D 模型拆分为单独部件后逐一打印。
7 柱体、销钉和小尺寸特征的可打印性设计
细小特征（如柱体和销钉）在 FDM 打印中容易因过于脆弱而失效，尤其是当尺寸低于打印机分辨率极限时。这类结构可能在后处理时断裂，或因缺乏支撑导致打印中途失败。
通过合理选择材料特性、打印方向及最小特征尺寸可改善问题。
经验法则：
- 设计的柱体直径应至少为 2–3 mm。
- 销钉直径应至少为 1 mm 且尽可能短。
- 细小精密特征推荐使用 PLA 或高精度材料。
- 为极小尺寸特征添加支撑结构以提高稳定性。
8 添加圆角和倒角以减少应力集中
在 FDM 打印零件中，尖锐拐角会成为薄弱点，形成容易引发裂纹的高应力集中区域。这对于承重部件尤为关键，结构失效可能导致性能下降。
通过添加圆角（圆弧过渡）和倒角（斜面处理）可使应力分布更均匀，减少断裂风险并提高耐用性。
经验法则：
- 确保圆角半径与壁厚一致以保持强度均匀。
- 前几层避免添加圆角，防止热翘曲变形。
- 用斜面倒角代替尖锐边角，既增强强度又方便脱模。
- 对超过 45° 的悬垂表面进行倒角/圆角处理，可减少支撑结构需求。
9 合理使用凸台和加强筋实现少材料增固
凸台（圆柱形凸起）和加强筋（薄型垂直支撑结构）可在不增加材料用量的情况下提高部件强度。凸台可用作紧固件或连接器的安装点和连接中心，而加强筋则为薄弱区域提供额外的结构支撑。这类特征既能提升耐久性，又可减轻整体重量并缩短打印时间。
经验法则：
- 凸台直径应与部件厚度一致或比其小 0.5 mm。
- 始终用加强筋辅助凸台以增固。
10 浮雕与雕刻文字的合理尺寸
浮雕与雕刻文字/标志若尺寸过小可能难以辨识。FDM 打印机的精度低于 SLA 等技术，因此文字特征需足够大以确保清晰复现。
经验法则：
- 浮雕文字：0.8 mm 厚，1.5 mm 高。
- 雕刻文字：1.0 mm 厚，0.3 mm 深。
- 文字应位于部件的顶部表面而非竖直侧壁上，以提高可读性。
- 建议选用加粗的无衬线字体，如 Arial、Century Gothic Bold 或 Verdana 字体以保证清晰度。
FDM 技术规格参考指南
FDM 3D 打印技术存在一定的局限性，这些局限性取决于打印机的性能。下方表格总结了在使用该技术设计可打印 3D 模型时，您必须始终牢记的关键技术参数。
| 规格 | 详情 |
| 最大构建体积 | 最大 900 x 600 x 900 mm。标准：350 x 350 x 350 mm。工业： 900 x 600 x 900 mm |
| 最小特征厚度 | 0.20 mm |
| 建议最小壁厚 | 1.00 mm（带支撑），1.20 mm（无支撑） |
| 层厚度 | 0.05 – 0.30 mm |
| 一般公差 | ±0.5% (±0.5 mm) |
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