大型3D打印–終極指南

魔猴君  知識堂   346天前

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

本文，魔猴網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、道具和標牌

房屋和建筑元素

工業及金屬零件

家具和車輛

一、展示、道具和標牌

荷蘭Naturalis生物多樣性中心擁有自己的3D打印實驗室

并使用兩臺Builder Extreme 1500 Pro 3D打印機生產了霸王龍的復制品（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最好的辦法--根據真實霸王龍化石的3D掃描結果進行3D打印。這個長12米、高5米的真人大小的復制品是用兩臺Builder Extreme大型3D打印機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，所需的時間會比3D打印長很多，成本也會更高，而且霸王龍也會重得多。

博物館館長、電影布景和道具設計師、游樂園、會展和博覽會展示制作商等無數人都在使用大型3D打印機來加快生產速度。除了速度和成本優勢外，在計算機輔助設計（CAD）軟件中創建數字模型之外，無需任何雕刻或藝術天賦。此外，3D打印機還可使用多種材料，從超輕泡沫到極其耐用的碳纖維填充尼龍，應有盡有。

藝術家們正在為2020年迪拜世博會重建的17英尺高的米開朗基羅《大衛》3D打印復制品涂上石膏

（來源：2020年意大利世博會）

請看這個17英尺高的米開朗基羅《大衛》3D打印孿生作品（上圖），它在2020年迪拜世博會上展出，旨在促進佛羅倫薩的旅游業。由于不可能有足夠大的聚合物3D打印機來一體打印出具有超精細細節的復制品，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》內部是一個晶格結構，這有助于將其重量控制在550千克，約為原始大理石《大衛》的11%，但其強度足以進行包裝和運輸。

德國的Styles Werbetechnik使用Tractus3D大型FDM打印機比傳統方法更快地生產發光標牌字母（來源：Tractus）

德國標識制作公司Styles Werbetechnik采用大規模3D打印技術制作戶外標識和通道刻字有幾個原因。該公司不僅希望加快生產速度，還希望在公司內部進行字母制作，不再依賴海外生產商提供的標準字母設計。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計可能性。例如，傳統方法將發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打印機在生產過程中無需看管，因此也可以在夜間和周末運行，從而加快了生產時間。

史密森尼博物館3D打印了120個真人大小的STEM領域女性領袖雕像（來源：IF:THEN）

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

二、房屋和建筑元素

Icon的3D打印可持續零號屋（來源：Icon）

最大的3D打印項目是房屋，而且規模逐年擴大。幾年前，人們剛剛打破了兩層樓的障礙，而現在的目標是要達到更高的樓層。

雖然只有極少數建筑是3D打印出來的，而且往往需要或結合鋼筋加固或傳統木結構建筑等結構支撐，但由于其速度快、節省勞動力和建筑耐用等優點，從住宅到酒店，該技術正在進入各個項目。事實上，全球建筑3D打印市場（不久前還不存在）預計將在未來五年增長近20%。

下面這座由建筑設計和工程公司漢納（Hannah）和西維（Cive）設計、Peri 3D建筑公司提供3D打印機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賣給了一位匿名競標者，總共需要兩年時間才能完工。Peri的Cobod Bod2龍門式打印機是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構，總共耗時330個活躍打印小時。

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打印機還廣泛應用于建筑元素，包括外墻和用于修復的歷史裝飾，以及室內裝飾，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，聚合物也發揮著作用。Branch Technology公司專注于使用機械臂聚合物擠出機進行大規模3D打印，可制作從雕塑到太空棲息地的各種作品。其名為BranchClad的創新建筑面板系統為建筑外墻帶來了新的機遇。請看安裝在美國太空與火箭中心新太空營運營中心側面的月球表面（下圖）。這些外墻采用月球數字掃描技術制作而成，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區的側面

（來源：Branch Technology）

三、工業及金屬零件

Relativity Space的Stargate金屬3D打印機（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3D打印結構，他們可能是對的。在最近的發射和海洋"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打印機以專有金屬3D打印而成的，該打印機采用了機械臂線材定向能沉積技術。

該公司表示，火箭能夠承受發射壓力是一大成功，證明了其金屬3D打印方法的結構完整性。

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河的金屬橋（上圖）由Joris Laarman實驗室設計，由MX3D使用機械臂線弧增材制造技術打印而成。這座12米長的不銹鋼"智能橋"包含一個嵌入式傳感器網絡，將幫助阿姆斯特丹的研究人員研究物聯網系統在建筑環境中的作用。該結構的開發采用了生成設計和拓撲優化技術，以實現其令人驚嘆的設計，同時使其更加輕巧。不過，它并不是永久性的。

MX3D橋梁的美感彰顯了金屬3D打印在藝術和雕塑領域的應用。下圖是藝術家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。藝術家們之所以選擇金屬3D打印技術制作最終作品，部分原因是這一技術遵循了他們的設計流程。項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設計，由MX3D 3D打印（來源：Studio C&C）

縱觀工業用大型金屬3d打印，船舶、石油天然氣和重型建筑設備行業的公司能夠更快地生產大型部件，而且往往是在現場生產。例如，下圖中的船用螺旋槳就是使用WAAM技術3D打印而成，其形狀接近凈形，然后再進行加工，以達到更嚴格的公差要求。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技術工業應用的首批示例之一（來源：RamLab）

3D打印金屬還可以使零件重量更輕，因為3D打印可以制造出鍛造或鑄造無法實現的形狀。據打印機制造商SLM Solutions稱，飛機起落架部件（下圖）的尺寸為455 x 295 x 805毫米，是世界上首個同尺寸的激光粉末床熔融3D打印部件。該部件不僅比傳統鍛造部件輕15%，而且該技術還縮短了周轉時間。

由于該部件是將負載從車輪傳遞到飛機結構的系統的一部分，因此它是用鈦制造的，以提高強度。材料的選擇使該部件具有很強的機械性能，同時無需涂層即可耐腐蝕。該部件使用四激光SLM 800 3D打印機打印而成。

"快速成型制造通過快速提供用于測試的部件，有助于節省鑒定和認證階段的時間。SLM Solutions全球服務和解決方案執行副總裁Gerhard Bierleutgeb說："與鍛造工藝的幾個月相比，我們能夠在幾天內生產出主配件。

3D打印私人飛機前起落架部件（來源：SLM）

用于鑄造金屬零件的3D打印大型模具是3D打印技術的另一種應用，它更偏重于尺寸。對于必須鑄造的金屬工業部件來說，模具制造步驟是勞動密集型且耗時的。使用砂型3D打印機，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，它采用了粘合劑噴射技術，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千個模具。

Voxlejet的VX4000砂型3Df打印機（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打印機作為一件進行3D打印。（來源：Piegatto）

室內設計師正在轉向大型3D打印，以實現他們對復雜設計和獨特材料的想象。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打印解決實際需求的一個例子。這種設計輕巧耐用，可以用回收塑料制作，也解決了塑料垃圾問題。這個模型是在瑞典The Industry公司的Magnum 3D打印機上用常用于飲料瓶的PETG塑料打印出來的。

岡比亞測試3D打印學校家具概念的原型書桌，可能使用再生塑料（來源：瑞典工業協會）

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打印機打印的輕質發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品設計公司NYXO Visionary Design設計，并在Colossus XS打印機上使用ColorFabb PLA進行打印（來源：Colossus）

作為最大的3D打印船和迄今為止最大的實體3D打印物品被載入《吉尼斯世界紀錄大全》的是下面這個長7.72米的標本。該船由緬因州大學先進結構和復合材料中心于2019年打印而成，由塑料和木纖維素制成，僅用72小時就完成了3D打印，重2.2噸，是的，它確實能浮起來。

由緬因大學生產的完全3D打印的真實大小的船（來源：緬因大學）

在過去的幾年里，自行車制造商已經開始采用3D打印技術來解決其生產鏈中最大的問題--焊接。單件3D打印車架不僅節省時間，還能實現不受結構連接限制的全新設計自由度。自行車制造商已經生產出了鈦合金、鋼和碳纖維復合材料的車型。

下面這款來自Urwahn的鋼架電動自行車采用金屬3D打印技術批量生產，實現了外形、功能、輕質結構和材料之間的平衡。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和電池。

Urwahn的3D打印鋼架電動自行車（來源：Urwahn）

五、大型3D打印的設計技巧

由White Clouds打造的30英尺高的3D打印雕像由365個單獨的3D打印部件組裝而成，每個部件需要28小時在55臺3D打印機上打印（來源：White Clouds）

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

但是，如果您的物體太大，即使是最大的機器也無法承受，這時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隊CDM-Studio使用BigRep大幅面打印機，但仍然需要對模型鯊魚進行分割（來源：CDM-Studio）

如何將模型分割成3D打印塊

要完成大規模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計一些裝配和對齊輔助工具，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的網格工具可以快速自動地進行分割。

手動分割數字模型時，應避免直接穿過細節區域的切割，分割模型時應盡量減少所需的支撐。您可能需要避免在設計中最薄弱的地方進行分割，即那些比模型其他部分薄得多的區域。

編譯整理：ALL3DP