FDM 设计规则：3D 打印入门指南
你已经在 CAD 中绘制好了一个零件，打印耗费了数小时——结果在第一次使用时，支架在最薄处断裂。或者，连接器插不进插槽，尽管尺寸“应该”是正确的。我们在 33d.ch 的工作室几乎每周都会听到这样的反馈——是的，一开始我们也遇到了同样的问题。
原因很少是打印机本身的问题，而通常是设计问题：壁太薄，悬垂太陡，在构建体积中的方向不当，或者公差不现实。好消息是：通过一些清晰的 FDM 设计规则，许多打印失败和断裂的问题可以在 CAD 阶段就避免。
Quelle: 原创插图
我们主要关注典型的桌面 FDM 打印机，使用 0.4 毫米喷嘴和 PLA 或 PETG 等材料——这正是瑞士许多业余爱好者、学校和中小型企业使用的配置。此处提供的数值是刻意保守的，旨在作为安全起始值，你可以根据自己的打印机逐步验证。
FDM 3D 打印的“运作方式”
在 FDM/FFF 工艺中，你的零件会由熔化的塑料线材一层一层地构建起来。听起来很简单，但这直接影响到设计：
- 悬垂结构需要支撑在已经打印好的材料上——最终需要支撑结构。
- 桥接结构在“空中”打印的距离有限，否则会下垂。
- 零件具有各向异性：沿打印路径通常比层之间更坚固。
默认情况下，许多 FDM 打印机使用 0.4 毫米喷嘴。粗略的经验法则是，最小壁厚应至少等于喷嘴宽度，最好是其两到三倍（约 0.8–1.2 毫米）。悬垂通常可以打印到约 45° 的角度而无需支撑；超过此角度，出现边缘下垂和表面不光滑的风险会大大增加。
入门者最重要的 FDM 设计规则
在日常工作中，持续应用一些简单的规则已被证明是有效的。虽然你的第一个零件可能不是最完美的，但它们将可靠地工作，并且不会在第一次使用时断裂。
壁厚：按線寬思考
最常见的 a设计错误是壁太薄。在切片软件中，零件看起来色彩鲜艳且“实心”，但实际上只打印了一条线——然后在第一次撞击时，甚至在从打印床上取下时就会断裂。
对于 0.4 毫米喷嘴，以下经验法则对入门者非常有效：
- 纯装饰和盖板零件：至少 0.8 毫米（约 2 条线）
- 轻载功能性零件：1.2–1.6 毫米（3–4 条线）
- 重载区域，例如螺钉座或支架：最好在受力方向上留出 2.0 毫米及以上
Quelle: 原创插图
该图总结了关于壁厚、悬垂和桥接的典型 FDM 设计规则——非常适合作为 CAD 旁边的备忘录。
| 喷嘴 | 推荐的坚固最小壁厚 |
|---|---|
| 0,4 mm | 0,8–1,2 mm |
| 0,6 mm | 1,2–1,8 mm |
| 0,8 mm | 1,6–2,4 mm |
实际操作中的参考值——请务必使用简单的测试件在自己的打印机上进行测试。
强度的一个关键因素是外壁（周长）。当我们在 33d.ch 需要坚固的零件时，我们首先增加周长数量，然后再增加填充——这与许多切片软件制造商和社区的建议一致。
巧妙规划悬垂、桥接和支撑材料
支撑材料很实用，但会消耗时间和材料，并且去除过程常常令人沮丧。最好将零件设计成尽可能少地需要支撑。
作为一个简单的设计辅助，我们使用 45° 规则：较平坦的悬垂通常需要支撑，较陡峭的区域是自支撑的——但这取决于材料、冷却和打印机。在实践中，在大型零件投入生产之前，通过一个小测试件来尝试关键几何形状是值得的。
| 特色 | 入门级配置的参考值 |
|---|---|
| 悬垂 | 通常可以打印到与垂直方向约 45° 的角度而无需支撑 |
| 桥接 | 通常可达约 5–10 毫米而保持干净，超过此范围最好进行测试或支撑 |
| 自由“舌头” | 尽量避免——最好通过倒角或圆角连接 |
PLA/PETG 在良好冷却设置下的参考值；其他材料可能有所不同。
我们在工作室里反复使用的技巧：
- 内角最好使用 45° 倒角，而不是尖锐的 90° 悬垂。
- 将大型切口拆分，以缩短桥接距离或完全消除。
- 如果一个零件需要大量的支撑，通常可以将其分成两个用螺钉或卡扣连接的零件。
孔、配合和卡扣连接
几乎所有新用 FDM 设计的人都会遇到孔径太小的问题。打印机在绘制内半径时会轻微向内收缩材料；此外，材料收缩和校准也会起作用。
因此，我们在 CAD 中设计的孔通常比目标尺寸大 0.1–0.3 毫米，并在切片软件中使用 XY 补偿来实现重要配合，或者事后钻孔。对于经典的 M3、M4 和 M5 螺钉，带有多个孔径尺寸的小型测试条被证明是无与伦比的备忘录。
- 对于螺钉：在 CAD 中预留溢量，并根据需要轻微扩孔
- 对于轴或销钉：先用简单的测试卡确定理想的偏移量
- 卡扣：最好设计得“粗壮”一些，必要时锉掉材料，而不是设计一个太薄的卡扣，它会立即断裂
日常公差
对于典型的桌面 FDM 打印机，实际公差在零点几毫米范围内。在我们的工作室，以下参考值已被证明是有效的：
- 可插入但不会松动配合：0.2–0.3 毫米间隙
- 轻微压合配合（例如磁铁）：0.1–0.2 毫米负公差加上后处理
- 卡扣连接：最好通过测试件开发，而不是仅凭计算
强度和方向：像打印机一样思考
Quelle: threedom.de
该概述表明，每种 3D 打印技术都有其独特的设计限制。对于 FDM，壁厚、悬垂和在构建体积中的方向尤为关键。
构建体积中的方向
FDM 零件的强度取决于方向。沿打印路径和层（XY 方向）的强度远大于垂直方向（Z 方向）。您会在实践中注意到，当零件的方向不当时，它们常常沿着层线断裂。
因此，我们尽可能将受到拉力或弯曲的支架和夹子朝向打印路径方向布置，并避免关键横截面打印成薄薄的 Z 方向“台阶”。
- L 型角最好平放打印，以便弯曲部分由多层组成，而不是高高竖起，形成单一的“易断”接缝。
- 旋转卡扣，使其底部沿层线方向。
- 长形孔在受拉力时应沿打印路径方向布置，而不是垂直于路径。
周长与填充：强度真正来自哪里
许多入门者在需要更坚固的零件时，首先会将填充率提高到 80% 或 100%。在实践中，调整壁厚和周长会带来更大的效果。实验和制造商的文档一再表明，外壁对零件的强度贡献最大。
对于 PLA 和 PETG 的功能性零件，以下设置已证明效果良好：
| 用途 | 周长 | 填充 |
|---|---|---|
| 外壳、盖板 | 2 | 15–20 % |
| 轻载功能性零件 | 3 | 20–30 % |
| 重载零件 | 3–4 | 30–40 % |
许多标准配置的参考值；对于安全相关零件，请务必使用实际载荷测试。
Quelle: biocraftlab.com
蜂窝状或陀螺仪填充提供了强度和材料消耗之间的良好平衡。如果外壁尺寸合理，适度的填充通常就足够了。
极高的填充率很少有价值：打印时间会大大增加，翘曲的风险会增加，材料消耗会爆炸。如果一个零件在 40% 填充和 3–4 层周长下仍然太软，那很可能是基本设计有问题。
我们工作室的典型入门错误
我们在新客户设计中经常看到一些经典错误：
- 壁厚与喷嘴宽度相同（0.4 毫米）——切片软件通常只打印一条线。
- 90° 悬垂的内角，直接“悬空”绘制。
- 长而自支撑的桥接，超过 20–30 毫米，未测试其轮廓是否能承受。
- 孔根据标称尺寸精确设计——螺钉就无法安装。
- 将关键零件垂直放置，因为这样在打印板上更节省空间。
当我们收到这样的零件时，我们首先会调整壁厚、悬垂和方向——通常不怎么改变外观。仅此一项就能显著提高强度和打印可靠性。
清单：导出 STL 之前
在导出模型为 STL 文件或将其发送给 3D 打印服务提供商之前，值得进行一次快速的设计检查。在我们的工作室，我们会在内心检查这些点：
- 所有承重壁是否都按喷嘴宽度的合理倍数（例如 0.4 毫米时为 0.8–1.6 毫米）设计？
- 是否有倾斜角度大于约 45° 的悬垂，您可以通过倒角、圆角或不同的划分来缓解？
- 桥接长度是否超过约 10 毫米，是否可以通过几何形状的改变来缩短？
- 螺钉、轴或磁铁的孔是否留有轻微的溢量或为后处理预留？
- 是否选择了零件方向，使主要载荷沿层线方向？
- 您真的需要 80–100% 的填充率吗——或者增加周长和适中的填充率就足够了？
对于 FDM 设计新手来说，制作一些简单的测试零件会带来巨大好处：一个壁厚规，一个用于常用螺钉的孔条，以及一个用于桥接/悬垂测试的小板。在 33d.ch，我们将这些经验直接记录在相应的客户项目中——这样可以使后续订单更快、更具可重复性。
深度学习的优秀视频
如果您更喜欢观看他人如何设计，这些视频（英语）将帮助您入门：
- 推荐视频： Design for Manufacturing: Polymer FDM ——非常简洁地解释了悬垂、壁厚和设计规则。
- 推荐视频： 8 Essential Design Rules for Mass Production 3D Printing ——展示了如何设计零件以便于打印和后续顺利组装。
迷你结论：您应该记住的 5 件事
- 按线宽思考：按挤出宽度的倍数规划壁厚，而不是“随意的”。
- 在 CAD 中就考虑悬垂、桥接和方向——不要等到切片软件再修复。
- 强度主要来自外壁；填充率只做适度增加。
- 特意按溢量或负公差来设计孔和配合，并通过测试件进行验证。
- 记录自己的参考值：一旦经过仔细测试，打印机上的意外情况就会少得多。
与之配套（内部文章创意）
为了进一步扩展 33d.ch 的博客，以下文章也与该主题相关：
- 理解 3D 打印公差
- 正确储存耗材
- FDM 材料比较：PLA、PETG、ABS
- 第一个 3D 打印订单清单
- 识别和解决典型的 FDM 打印错误