大家好，我是 Niko Mroncz，Xometry 擇冪科技銷售工程總監。我自 2010 年以來一直從事 3D 列印工作。在審核了無數 FDM 列印項目後，我總結出了最常見的導致列印失敗、零件脆弱或材料過度消耗的設計缺陷。在本文中，我將分享實用建議，助您設計出更堅固高效的 FDM 3D 列印方案。
熔融沉積成型 (FDM) 是性價比最高的 3D 列印技術之一，因此成為原型開發、功能測試和小批量生產的首選方案。然而，當需要更大批量生產、更佳重複精度或更快生產速度時，應選用工業級工藝，如 SLS 或 MJF 成型技術（搭配 PA12 等工程材料）。雖然 FDM 技術通用性極強，但其列印速度相較於這些工業技術存在明顯局限，因此不適合大規模連續生產。但憑藉其成本優勢和豐富的材料選擇，FDM 依然是眾多應用場景中的理想解決方案。
若要獲得高品質的 FDM 列印零件，遵循正確的設計準則是關鍵。許多常見問題——如翹曲、層間黏合不牢或材料浪費——往往源自設計缺陷。關注支撐結構的合理性、最佳壁厚設計和邊緣圓角處理等因素，可有效避免缺陷並增強零件強度。以下是需要牢記的 FDM 設計要點。
1 確保合理的壁厚設計
在 FDM 3D 列印中，最常見的錯誤之一是壁厚設計過薄或過厚。壁厚過薄會導致零件翹曲變形，需要使用支撐結構，從而增加生產成本。而設計過厚的壁體則需要消耗更多材料進行製造。為有效控制成本，您需要對設計進行優化。
經驗法則：
- 壁厚至少設計為 1.00–1.50 mm，或三倍噴嘴直徑的厚度。
- 使用交叉網格內部結構取代實心壁以減少材料消耗和重量。
2 優化懸垂結構與橋接結構
FDM 3D 打印採用逐層堆積的製造原理，即每一層新打印的結構都必須有足夠的下層材料作為支撐。懸垂結構——向外延伸的突出特徵，和橋接結構——跨接在間隙之上的特徵，二者由於下方缺乏直接支撐，若未經合理設計，極易發生熔融材料下垂、翹曲或表面粗糙等缺陷。這種現象的成因在於熱塑性材料在擠出時呈現半液態特性，若無充分基底材料支撐，在完全固化前就會在重力作用下產生形變。
為保證打印品質並避免上述缺陷，設計師應盡可能減少無支撐的懸垂/橋接結構，或合理運用支撐結構。
經驗法則：
- 當懸垂角度超過最大允許角度 45° 時需添加支撐。
- 跨度超過 5 mm 的橋接結構需要額外支撐或進行設計調整。
- 倒角或圓角處理可提升懸垂結構的可打印性。
3 透過合理設計減少翹曲變形
翹曲變形是 FDM 3D 打印最常見的缺陷之一，當打印件冷卻不均導致材料收縮和形變時就會發生這種現象。熱塑性塑料冷卻時會輕微收縮，如果不同區域冷卻速率不一致，就會產生內應力，導致打印件從構建板翹起或發生扭曲。這種情況在打印大面積平面結構和熱膨脹係數高的材料（如 ABS）時尤為明顯。
經驗法則：
- 優化材料選擇（例如 PLA 或 PETG 的翹曲情況低於 ABS）。
- 避免大面積平面設計——增加圓角或倒角以減少內應力。
- 使用邊緣擴展、底筏或裙邊來增強構建板附著力。
4 明智使用支撐結構
支撐結構對於打印複雜幾何體、懸垂和橋接部分是必要的，但不當放置的支撐材料會難以去除、留下表面瑕疵，並增加打印時間。與其依賴過多支撐，優化零件方向和減少支撐材料有助於提高打印質量，並降低後處理操作的需求。
經驗法則：
- 調整零件方向以減少對支撐的需求。
- 使用樹狀或可溶支撐以便於去除。
- 將支撐放置在遠離關鍵表面的位置，以最大程度減少後處理。
5 基於強度和表面質量調整零件方向
FDM 零件因層間黏合限制，在 Z 軸方向上的強度最弱。這意味著當零件承受拉伸或彎曲力時，往往會沿著打印層斷裂。此外，打印方向也會影響表面光滑度——在曲面和傾斜表面上，可見的層紋會更明顯。
經驗法則：
- 易碎特徵應始終平行於打印平台。
- 將孔洞垂直定向，以減少對支撐結構的需求。
- 將曲面或傾斜表面對齊平行於打印平台，以最大程度減少階梯紋。
6 配合部件的適當間隙
FDM 3D 打印中的配合部件需要謹慎設計間隙，以確保既不會因粘連而無法分離，也不會因間隙過大而過鬆。
由於熱膨脹、層間偏差及打印機公差等因素，按理論尺寸設計的零件可能出現意外的配合問題。
經驗法則：
- 過盈配合需留 0.15 mm 間隙。
- 滑動配合需留 0.2–0.3 mm 間隙。
- 若需將多個部件作為組件整體打印，建議保持一致的打印方向，同時確保配合表面垂直於打印平台（即垂直方向）。
- 若無法滿足最小間隙要求，可考慮將複雜 3D 模型拆分為單獨部件後逐一打印。
7 柱體、銷釘和小尺寸特徵的可打印性設計
細小特徵（如柱體和銷釘）在 FDM 打印中容易因過於脆弱而失效，尤其是當尺寸低於打印機解析度極限時。這類結構可能在後處理時斷裂，或因缺乏支撐導致打印中途失敗。
透過合理選擇材料特性、打印方向及最小特徵尺寸可改善問題。
經驗法則：
- 設計的柱體直徑應至少為 2–3 mm。
- 銷釘直徑應至少為 1 mm，且盡可能縮短長度。
- 細小精密特徵推薦使用 PLA 或高精度材料。
- 為極小尺寸特徵添加支撐結構以提高穩定性。
8 添加圓角和倒角以減少應力集中
在 FDM 打印零件中，尖銳拐角會成為薄弱點，形成容易引發裂紋的高應力集中區域。這對於承重部件尤為關鍵，結構失效可能導致性能下降。
通過添加圓角（圓弧過渡）和倒角（斜面處理）可使應力分布更均勻，減少斷裂風險並提高耐用性。
經驗法則：
- 確保圓角半徑與壁厚一致，以保持強度均勻。
- 前幾層避免添加圓角，以防熱翹曲變形。
- 用斜面倒角取代尖銳邊角，既增強強度又方便脫模。
- 對超過 45° 的懸垂表面進行倒角/圓角處理，可減少支撐結構需求。
9 合理使用凸台和加強筋實現少材料增固
凸台（圓柱形凸起）和加強筋（薄型垂直支撐結構）可在不增加材料用量的情況下提高零件強度。凸台可作為緊固件或連接器的安裝點與連接中心，而加強筋則為薄弱區域提供額外的結構支撐。這類特徵既能提升耐用性，又可減輕整體重量並縮短打印時間。
經驗法則：
- 凸台直徑應與零件厚度一致，或比其小 0.5 mm。
- 始終使用加強筋輔助凸台以增強結構穩定性。
10 浮雕與雕刻文字的合理尺寸
浮雕與雕刻文字或標誌若尺寸過小，可能難以辨識。FDM 打印機的精度低於 SLA 等技術，因此文字特徵需足夠大，以確保清晰復現。
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。
- 經驗法則：
- 浮雕文字：厚度 0.8 mm，高度 1.5 mm。
- 雕刻文字：厚度 1.0 mm，深度 0.3 mm。
- 文字應置於部件頂面，而非垂直側面，以提升可讀性。
- 建議使用加粗無襯線字體，例如 Arial、Century Gothic Bold 或 Verdana，以確保清晰度。
FDM 技術規格參考指南
FDM 3D 列印技術存在一定的局限性，這些局限性取決於列印機的性能。下方表格總結了在使用該技術設計可列印 3D 模型時，您必須始終牢記的關鍵技術參數。
| 規格 | 詳情 |
| 最大構建體積 | 最大 900 x 600 x 900 mm。標準：350 x 350 x 350 mm。工業： 900 x 600 x 900 mm |
| 最小特徵厚度 | 0.20 mm |
| 建議最小壁厚 | 1.00 mm（帶支撐），1.20 mm（無支撐） |
| 層厚度 | 0.05 – 0.30 mm |
| 一般公差 | ±0.5% (±0.5 mm) |
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3D 打印成品的品質不僅取決於設計本身。即使嚴格遵循本文所述的最佳 FDM 設計準則，仍可能出現瑕疵品。這通常源自打印過程中的操作失誤。若使用不達標材料或錯誤的溫度參數，必然會導致品質下降。
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