A few ways to strengthen 3D printed parts
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| 一個崩壞的3d列印件 |
有時候，我們需要仰賴 3d 列印件的強度。我們已經嘗試過幾個需要不斷測試落下或是承重的專案，在過去的這個文獻中，提到了【開源家用機種】與【高階商用機種】在列印件強度上的『差異很小』，你需要的只是一些時間去思考和適應，如何將設定調整到對的參數與擺設。
本篇文章主要是針對熱熔堆積成型（FDM）架構式的桌上型3d印表機來進行條列式的分析；在章節一、二的內容有助於你得到立竿見影的成效，至於章節三、四則是需要多一些的準備與思考。
【章節一／幾何模型 Model Geometry】
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| 向外加厚（Offset）的表面可以得到更強的結構性 |
［章節一之01／加厚你的模型］
［1.1 Thicken your model］
我們從最淺顯易懂的技術面開始談吧！通常結構單薄的部分就是脆弱的部分。然而加厚模型並無助於改善 FDM 3d 印表機的原罪（層與層之間的分離、翹曲、噴頭撞到列印件）。有時候一個模型在第一和第二個向度上是無法動手腳的，但往往會在第三個向度上找到補強的機會。
［章節一之02／放大］
［1.2 Scale it up］
這種方式也是很容易可以理解的，但是等比例放大意味著所有的幾何都會相對放大（問題是一樣的）。要小心思考這樣處理的結果是否會帶來機構上的交互影響，或是形變所產上運作功能上的阻礙。
［章節一之03／倒角或倒圓角］
［1.3 Smooth Transitions with fillets / rounds & add ribs to walls］
一般在列印的時候，加熱的噴嘴是有可能會破壞已經列印過的部分（尤其是薄的結構），刮料的情況往往會造成結構上的崩壞。使用倒角或是倒圓角，或是透過添加側翼的方式，可以讓原本脆弱的結構得到顯著的補強。
物件的倒角（Fillet）是添加在物件機做的部分
【章節二／列印設定 Print-Setting】
［章節二之01／列印物件擺向］
［2.1 Print Orientation］
將物件傾倒 90° 的列印切片差別
你要將物件直立起來列印嗎？結構的強度通常在Ｘ／Y 軸向最為堅固，Z 軸方向則是隨著層數的累積而有不同的取向。有時要考慮列印的情形，必要時必須將物件轉一個角度來列印，比方讓列印路徑呈現對角線的方向，就如同列印過程中不斷交錯的正交方式，來增強結構性。
［章節二之02／層厚］
［2.2 Layer Height］
都你以越薄的層厚來列印時，塑料將會受迫而擠出更多、於ＸＹ方向有更大的接觸面積，即便下一個堆疊的物件不是直接堆積在上方，交疊的部分仍會有更多的接觸面積。層與層之間的接觸面積意味著附著力，也就代表著Ｚ軸方向在側向力的對應強度將有所提升。換言之，兩個相同高度與形狀的物件，切層 100 微米的物件將有高於 300 微米切層的連結強度。
［章節二之03／填充密度與樣式］
［2.3 infill % and Type］
這依然是個明顯的例子，甚至有時候會讓我跳過前面提及的那些考量。改變填充的百分比、填充的樣式、填充的交角會直接影響到列印件的強度。我們曾經讀過報導指出，超過 60-70% 的列印密度是沒有顯著意義的，但我們也有遇過客戶是使用了 75% 的列印密度卻依然不足＞只能往上調整到 100% 的列印密度。需要注意的一點是，設定超過 75% 的列印密度將會影響到外部成形的表面。
［章節二之04／周長、薄殼圈數與厚度］
［2.4 Perimeters / Shells or Shell thickness］
類似於 infill 的加強方式，另一種有效的方式就是加強外框的結構性。我們發現通常設定 2 或 3 圈外框（number of shells）已經足夠，但某些高強度的需求下需要設定到 4 圈的外殼厚度。
［章節二之05／材料］
［2.5 Material］
目前市面上大多數的主流材料是 ABS，然而其實還有其他材料的選擇，每一種都有獨特的材料性。相較於 ABS 的強度與彈性，PLA 則是堅韌而硬直的塑料。有時候有彈性的材料比較堅固、耐衝擊，但是幾何單調的情況下，PLA 會是替代 ABS 更好的選擇。但別忘了，PLA 雖然比較硬但也比較脆。如果今天是【高耐久度】的使用需求，Nylon 就是再適合不過的塑料了。Taulman 618 是非常推薦的 FDM 用 Nylon 塑料，但是使用上需要額外的設定。
【章節三／後製 Post-Treatment】
［章節三之01／環氧樹酯和聚酯樹酯（保利）］
［3.1 Epoxy & Polyester Resin］
我們最近在關注的一樣後製方式就是上樹酯塗料（resin coating），但切記當你需要保留相對精確或是鋒利的邊緣時，這種技術並不適合你。市面上目前有許多種類的兩液型環氧樹酯（2-Part Epoxy resin）與聚酯樹酯（Polyester resin），每一種都有不同的材料特性與固化特性。同時，他們也對應了不同的黏度。不建議使用兩液型環氧樹酯，既不好操控又容易凝結成團。
我們建議使用清聚酯樹酯（Polyester Clear Casting Resin），因為它的濃稠度適中，在它發生作用之前可以輕易的塗抹在整個複雜的零件上。這種材料在攪拌五分鐘後開始凝固，大致上需要 24 小時才能夠完全風乾。它也可以搭配玻璃纖維（glass fibre）來混和使用，以達到額外的強度／雖然這極可能會影響到最後成形的表面紋理。
下面兩張圖將說明塗抹 Poly 前／後的不同
當塗完樹酯之後，我們將兩個同樣造型／相同設定／相同印表機輸出的模型，進行了掉落測試。顯著的差異可以得知，有上過一層樹酯的模型，具有更強的結構性。我們將會持續追蹤並驗證這樣的實驗性。
［章節三之02／碳纖維與玻璃纖維薄膜］
［3.2 Carbon / Glass Fibre Lamination］
有時候有些列印部件很適合碳纖維、玻璃纖維薄膜。這不適合複雜的零件，因為零件表面需要被完全裹在纖維網內；因此這種技法特別適用于無孔洞或是大面空曠的部分。一旦這部分被封裝在纖維網中，塗上一層環氧樹酯或聚酯樹酯來固定網格於屬意的位置。請記住，這種工法會添加一些額外的厚度。
［章節三之03／熱處理］
［3.3 Heat Treatment］
雖然我們沒有測試過這種方法，但閱讀過幾份相關的報告，關於將零件放置在烤箱中，或使用熱風槍／噴燈來重新融化塑膠的表面，以創建更強的堆疊黏結。這聽起來像是很危險的方法，因為有很高的可能會不小心熔化部分單元，或造成部分的翹區。如果你要試試這個，建議從較低溫度開始測試 （如果使用熱風槍，請先從遠方開始慢慢朝零件接近）。
【章節四／翻模 Mold it】
［章節四之01／石膏鑄件］
［4.1 Plaster Casting Parts］
以 3d 列印 PLA 翻製金屬／消失模
先以 ABS 或 PLA 列印所需要製作成模具的模型。（脫蠟／Lost Wax）熔模鑄造在這個操作中是可能的。要做到這一點，列印出你需要翻製的部分，然後澆灌石膏製做出陰模的部分。藉由通過加熱石膏在超過 230 C的高溫爐具中，原本塑膠的列印件會汽化殆盡，然後就可以將融化的金屬倒入模具空腔中並讓它冷卻下來。要取出最後的鑄件，只需將模具用錘子敲除多餘的石膏。切記在嘗試使用這種方法時，鑄件最後會收縮一部分，所以你需要要原始模具擴大約 2-3% 左右。
［章節四之02／翻製成型鑄件］
［4.2 Roto-Molding Parts］
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| Source: Association of Rotation Moulders Australasia Inc |
這是一種替代性的鑄造方式，使用灰泥或矽膠模具來用於翻製成型。使用翻製空心零件的強度優勢在於生成中空造型的結構物，或是希望能一體成形的物件。透過將液態塑膠／金屬注入模具空腔內，關閉模具並連續雙軸的轉動，可以讓流體創造出中空的部分。坊間目前已有許多小型／桌面型的翻製成型機可購買，或者我們也可以建立自己專屬的。最常見的桌面 roto 類型／鑄造工具，包含以Ｘ軸為中軸旋轉的框架（它根據 X 軸轉動）並聯動到 Y 或 Z 軸上。通常這裝置使用單一的動力馬達，並透過齒輪和連軸系統來帶動整個模具旋轉。
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| Source: StudioMyFirst |
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