大型3D打印–終極指南

魔猴君  知識(shí)堂   315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(lái)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(lái)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(lái)源：Naturalis）

沒(méi)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(lái)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(lè)園、會(huì)展和博覽會(huì)展示制作商等無(wú)數(shù)人都在使用大型3D打印機(jī)來(lái)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(wú)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(kāi)朗基羅《大衛(wèi)》3D打印復(fù)制品涂上石膏

（來(lái)源：2020年意大利世博會(huì)）

請(qǐng)看這個(gè)17英尺高的米開(kāi)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(lái)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(lái)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(guó)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(lái)源：Tractus）

德國(guó)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(wú)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(guò)程中無(wú)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(lái)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(lái)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(lái)的。

二、房屋和建筑元素

Icon的3D打印可持續(xù)零號(hào)屋（來(lái)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(lái)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(lái)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(mén)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(guó)第一座完全3D打印的兩層房屋位于休斯頓（來(lái)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(lái)了新的機(jī)遇。請(qǐng)看安裝在美國(guó)太空與火箭中心新太空營(yíng)運(yùn)營(yíng)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(lái)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(guó)太空和火箭中心新太空營(yíng)作業(yè)區(qū)的側(cè)面

（來(lái)源：Branch Technology）

三、工業(yè)及金屬零件

Relativity Space的Stargate金屬3D打印機(jī)（來(lái)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(lái)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(mén)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(lái)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(kāi)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(guò)，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(yú)通道"，它展示了鯨魚(yú)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(lái)的。

“鯨魚(yú)通行證”由Mariagrazia Abbaldo和Paolo Albertelli設(shè)計(jì)，由MX3D 3D打?。▉?lái)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(lái)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(wú)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(wú)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(guò)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(shuō)："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(lái)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(lái)說(shuō)，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(wú)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(guò)程中打印出數(shù)千個(gè)模具。

Voxlejet的VX4000砂型3Df打印機(jī)（來(lái)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(lái)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(wèn)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(lái)的。

岡比亞測(cè)試3D打印學(xué)校家具概念的原型書(shū)桌，可能使用再生塑料（來(lái)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(ài)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?。▉?lái)源：Colossus）

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(lái)。

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

在過(guò)去的幾年里，自行車制造商已經(jīng)開(kāi)始采用3D打印技術(shù)來(lái)解決其生產(chǎn)鏈中最大的問(wèn)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(lái)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(lái)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(lái)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)上打印（來(lái)源：White 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(méi)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(wú)法承受，這時(shí)您就需要將其分割成若干塊。讓我們來(lái)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(yú)進(jìn)行分割（來(lái)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(lái)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(guò)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