大幅面增材制造（LFAM）技术的工业化应用与设计范式研究

在过去的四年里，大幅面增材制造 (LFAM) 技术已从一种新颖的技术方法发展成为一种稳健可靠的制造技术。LFAM 使用颗粒原料以每小时25磅以上的沉积速度3D打印部件，进而打印出每个重达数百甚至数千磅的大型部件。该工艺的颗粒原料通常是热塑性复合材料，由热塑性树脂与短碳纤维或玻璃纤维组成。

材料、设备和打印供应商的成功经验使得该技术得到了更广泛、更稳健的采用。Airtech、CEAD、SABIC、Thermwood 和 Additive Engineering Solutions (AES) 等行业公司之间的合作进一步推动了增材技术的采用和认可。随着越来越多项目的成功完成，人们的认知度不断提升，越来越多的公司正在探索 LFAM 如何帮助他们实现成本、质量和交付周期目标。遗憾的是，该技术的新用户和潜在客户遇到的第一个障碍是缺乏能够让他们快速上手该技术设计指南。制定有效的 LFAM 设计和制造策略对于行业参与者的进一步成功至关重要，重涂温度、部件方向和焊道几何形状是成功且可靠的大幅面增材制造 (LFAM) 工艺需要考虑的一些关键设计变量。

LFAM熔头的特写，用笔作参考。

熔头几何形状选择

从历史上看，增材制造 (AM) 设计对于熔融沉积成型 (FDM) 的重要性不如其他类型的 AM。桌面 FDM 机器的用户，无论是消费者还是专业人士，通常都能够根据规格在 CAD 中设计零件，并期望该设计能够进行编程（即“切片”）并在 3D 打印机上打印。这种合理的预期部分源于这些小型机器生产的珠子尺寸和层数与通常生产的零件相比极小。在这种情况下，用户选择所需的周边融头数量和填充设置，而切片程序会针对通常为 0.016 英寸宽和 0.006 英寸高的熔头输出密集的刀具路径迷宫。使用这种尺寸的熔头，通常无需修改即可打印零件。

使用 LFAM，熔头尺寸范围为 0.25 至 1 英寸宽和 0.050 至 0.25 英寸厚，典型的熔头尺寸为 0.75 英寸宽 × 0.2 英寸厚。这种熔头的横截面积约为传统 FDM 熔头的 1,500 倍，传统 FDM 通常为未填充的热塑性塑料，而 LFAM熔头是纤维增强热塑性复合材料。由此产生的熔头相对于要打印的几何形状也大得多。由于这种关系，必须在开始设计之前确定将用于制造的熔头几何形状，因为熔头的几何形状将决定可实现的壁厚等变量。例如，考虑一个设计为具有 2 英寸宽的壁的部件，但要使用 0.75 英寸宽 × 0.2 英寸高的熔头进行打印。当使用典型的 LFAM 切片机处理此设计时，它将生成一条两倍熔头宽的路径，但熔头之间会有一个 0.5 英寸的空隙。出现此空隙的原因是壁设计得比两倍熔头宽但比三倍熔头窄。在这种情况下，如果设计师知道将使用 0.75 英寸宽的熔头，则应将壁厚减小到 1.5 英寸（两倍熔头宽度），增大到 2.25 英寸（三倍熔头宽度），或者与制造部门讨论将所用的熔头宽度更改为所需壁厚的倍数。

传统 FDM 设计与 LFAM 设计之间存在一些重叠的领域是使用自支撑角。与传统 FDM 类似，大多数熔头尺寸都可以打印高达 45° 的自支撑角。如果设计需要更浅的支撑角，则可以通过使用具有更大宽厚比的熔头来实现。在确定设计的熔头尺寸时，这一点非常重要。

双熔头设计

切片、方向和支撑

在 LFAM 设计过程中，必须考虑的另一组问题是切片策略、打印床方向以及打印模型上支撑的使用。传统的 FDM 理论通常允许以各种可接受的方向打印部件。这些方向是通过大量使用自动生成和放置的支撑结构来实现的，这些支撑结构很容易用手剥离或溶解在液体中。在 LFAM 中，这种支撑结构生成功能基本上不存在，而且在几乎所有情况下都不切实际（除非您可以使用池子溶解支撑结构）。缺乏支撑结构使得难以或不可能形成较大的、无支撑的悬垂结构。因此，这些部件必须设计为基本上自支撑的，通常采用前面描述的自支撑角度。

此外，许多传统上需要支撑结构的部件现在可以在构建平台上定向，从而使关键几何形状能够自支撑。这通常会导致非传统的构建方向，但可以打印关键特征。这些方向带来的一个挑战是重心偏移，这可能导致部件在打印过程中翻倒。在这种情况下，设计师可以选择添加一个简单的支撑结构，类似于支架，以帮助在整个打印过程中支撑部件。

LFAM 的另一个特性是使用倾斜切片平面，这使得设计师能够打印原本难以控制的几何形状。如果我们认为传统的 FDM 打印机具有“水平切片平面”（与平坦构建板平行的切片平面），那么倾斜切片平面会将切片平面旋转一定角度，通常与传统水平面成 45° 角。如前所述，LFAM 通常仅限于 45° 自支撑角度。通过将构建平面旋转 45° 并加入 45° 悬垂部分，设计师可以在设计中融入完整的 90°（垂直）特征。

最简单的设想方法是考虑一个标准的六面空心盒几何形状。使用传统的水平打印，可以打印底部和四个侧壁。然而，盒子的顶部会成为一个问题，因为它是一个无支撑的表面，沉积的树脂会直接落到打印盒的底部。如果用 45° 切片平面对相同的几何形状进行切片，垂直壁以及顶部和底部表面都将与标准切片平面形成 45° 悬垂部分，空心六面盒现在就可以打印了。

热管理

影响 LFAM 打印成败的最后一个因素是关键热管理因素（例如层重涂温度）的管理水平。这导致了 LFAM 打印中一种特殊的“金发姑娘”效应，即先前沉积层的温度（通常称为重涂温度）既不能太高也不能太低。如果重涂温度过高，部件很可能在打印过程中塌陷变形，甚至可能在构建过程中完全失效。如果重涂温度过低，层间结合强度会受到影响，并且根据重涂温度过低的程度，部件可能会出现珠粒之间的分层。

为了进一步提高热管理的复杂性，每种热塑性复合材料都有其独特的重涂温度范围。通常，最低重涂温度等于热塑性复合材料的玻璃化转变温度 (Tg)。为了有效管理重涂温度，强烈建议使用热像仪提供实时反馈并记录部件的热历史，以便日后分析。这种热反馈对于打印过程中调整部件至关重要。

这里显示的是来自热像仪的读数示例，它使AES能够测量和管理涂层温度

有效的热管理需求对复合材料部件设计构成了挑战，因为只有在设计完成、部件切片并开始打印后才能知道热像仪数据。这是 LFAM 经验真正发挥作用的一个领域。如果缺乏经验，建议在设计过程的早期进行 10-20 层的短期打印测试，以测量特定几何形状的热特性。这些数据对于改进设计非常有价值。热管理也是在设计早期确定珠子几何形状的另一个原因，因为较大的珠子往往比较小的珠子保留更多的热量并且冷却得更慢。最后，尽量保持每层打印壁厚一致也很重要。例如，如果一个工具的设计采用 0.75 英寸宽 × 0.2 英寸厚的焊道，且工具面板设计为 3 英寸宽（四个焊道宽），但备用结构设计为单个焊道宽度，则该部件在四个焊道壁和单个焊道壁之间的冷却速度差异会非常大，制造难度会非常高。

最终，特定材料和焊道尺寸的可接受重涂温度范围将决定能够成功设计和打印的部件的最大和最小尺寸。

着眼于最终目标

在进行 LFAM 设计时，务必牢记设计的最终目标，然后逆向推导，考虑关键设计变量，例如重涂温度、部件方向和焊道几何形状。如果在完成实际 CAD 设计之前就考虑到这些因素，LFAM 的成功几率就会大大提高。