《設計指南2.0》有什麼新功能？

Stratasys複合解決方案團隊正在不斷評估新技術，表徵性能並驗證最佳性能實踐，以增加價值並擴展FDM複合工具的應用程式。2.0版設計指南包括額外的材料數據、經驗測試結果、技巧、技巧、程式和新客戶案例研究。具體而言稀疏式結構、劃線建議、局部加固（用於插入件等）和其他機械特性數據已添加到本設計指南中。

第1節-簡介和背景

範圍

本技術設計指南介紹了使用Stratasys FDM®技術添加製造複合材料疊層工具的設計、加工、製造和後處理技術和程式。應盡可能遵循本指南中討論的原則和提供的零件創建和實施要求。由於複合材料行業的各種最佳實踐，本設計指南的偏差可由個人用戶的專業知識自行決定。

應用程式概述

FDM®（熔融沉積建模）正成為低成本快速生產低體積工具和製造輔助工具的首選技術。FDM技術也可用於生產高溫（>350°F[177°C]）、低體積的複合材料疊層和維修工具，以及高溫（<350°F[170°C]]）生產犧牲工具。

相對於傳統的工具材料和方法，FDM在交付週期、工具成本和簡化工具設計、製造和使用方面具有顯著優勢，同時能夠增加功能和幾何複雜性。本設計指南側重於手動上籃工具，但絕大多數原則和指南適用於其他以及處理方法。

以下是生產FDM疊層工具的流程概述。有關流程中每個步驟的更多細節將在參考章節中提供。

背景和目的

高性能纖維增強聚合物基複合材料結構的傳統製造方法需要硬加工模具或心軸，以控制最終零件的表面輪廓。這些工具通常由金屬（鋁、鋼或因瓦合金）製成合金），儘管也使用諸如高溫工具板和專用複合工具材料之類的非金屬材料。無論材料如何，工具製造通常需要大量的勞動力和機械加工，這導致高成本、材料浪費、，相對簡單的形狀需要數周的較長交付週期，而更複雜的工具需要數月的交付週期。

相比之下，FDM技術已經證明複合材料工具的成本和交付週期顯著降低，同時提供許多其他優點，如設計自由和快速迭代，而不考慮零件的複雜性。已經成功多年來一直用於低體積複合材料疊層和維修工具應用。然而，由於缺乏材料，它的使用受到限制能夠達到航空航太和類似高性能結構所需的350°F（177°C）固化溫度，並且不存在設計知識和指導。

複合材料工具的FDM 2.0

關於材料限制，FDM ABS-M30/ASA、聚碳酸酯（PC）和ULTEM™ 9085樹脂的有效溫度分別高達180°F（82°C）、270°F（132°C）和300°F（149°C）。隨著ULTEM 1010樹脂的引入，FDM技術在製造在超過350°F（177°C）的溫度和100 psig（690 kPa）的壓力下固化的複合材料結構方面表現出了許多優勢。

本設計指南提供了3D列印複合材料工具的設計、製造和準備的最佳實踐，以及相關的性能表徵數據。

注：儘管適用於其他材料和切片高度，但本指南中提供的數據和建議基於使用0.020英寸切片高度的ULTEM 1010樹脂製造的工具，除非另有說明。

FDM對複合材料工裝的好處

•將交付週期從幾個月縮短到幾天

•將工具成本降低50%以上

•實現經濟高效的複合材料零件原型設計

•通過增加功能簡化工具設計和製造

•耐高溫高壓釜和烘箱固化迴圈【>350°F（177°C），100 psig（690 kPa）】

•為複雜、受困的工具應用提供低麻煩的犧牲和清洗解決方案

•允許無故障的設計更改和迭代

•將工具品質減少80%以上（特別是相對於金屬工具）

應用程式最佳匹配

此應用程式最適用於以下條件：

•所需的擱置和維修工具需要幾天，而不是幾個月

•犧牲工具在中等溫度下固化【<350°F（177°C）】

•零件體積相對較低（10s–100s與1000s）

•工具尺寸適合Fortus 900mc的建造體積™ 3D印表機，儘管分段工具也已成功演示

•可以調整刀具幾何形狀，以補償熱膨脹或受益於更高的CTE材料（例如，用於增加簾布層固結的外芯軸）

設計指南目標

本設計指南主要旨在提供：

•FDM技術概述

•相關材料的關鍵財產和特性

•複合材料工具的優勢和關鍵考慮因素

•疊層工具的設計、施工和優化的最佳實踐

•檔準備、加工和製造的最佳實踐

•後處理擱置工具的最佳實踐（準備和密封）

•用例示例

•工具壽命和特性數據

•犧牲工具介紹

設計指南方法

本指南分為幾個關鍵部分，為高效、成功地生產、準備和使用FDM複合材料疊層工具（以下簡稱“FDM複合工具”）提供了必要的資訊。它提供了技術資訊、材料財產和測試數據，以證明FDM複合工裝的性能。Stratasys與來自航空航太、汽車、體育用品和學術界的行業領導者和工具專家合作，對性能進行表徵和驗證。提供了這些協作開發工作的關鍵用例和示例，儘管為了保護專有資訊，合作夥伴身份往往被隱藏。

Aurora飛行科學公司（AFS）和Abaris培訓公司是兩個關鍵合作夥伴。AFS是航空和航空研究領域公認的領導者，專門從事專用飛機的設計和製造。在多個載人和無人飛機結構的開發和生產過程中，AFS與Stratasys合作，為複合工具和輔助工具（夾具、夾具、裝飾工具等）以及飛離零件實施FDM。Stratasys還與世界知名的高級複合材料培訓領導者Abaris Training密切合作，提供額外的技術投入、工具評估和FDM複合材料工具培訓課程的開發。

FDM概述

FDM是Stratasys獲得專利的增材製造技術，通過加熱和擠出熱塑性長絲逐層製造零件。FDM使用標準、工程級和高性能構建熱塑性塑膠。

FDM過程從使用Insight處理CAD檔開始™ 3D印表機附帶的軟體。該軟體允許用戶選擇構建的所有參數，從切片高度到零件方向，提供完整的零件定制功能。FDM機器能夠連續分配兩種材料：構成最終零件的主要模型材料和根據需要用於防止懸垂區域坍塌的次要支撐材料。由於Stratasys FDM支持該材料本身設計為具有犧牲性且易於拆卸，是一種實用的材料，可用於生產一次性的犧牲性疊層工具。第7節提供了更多關於犧牲擱置工具的資訊。

FDM細絲被纏繞到罐中，罐將材料通過系統輸送到擠出噴嘴或“成型尖端”。成型尖端由液化器加熱，熔化材料，同時將其沉積在溫度控制室的兩個主水準軸（x，y）上，遵循數控刀具路徑。每層完成後，構建平臺垂直移動（z方向），為下一層在上面沉積騰出空間。

圖1-1：FDM印表機的主要組件。

主要設計注意事項

正如傳統疊層工裝的設計和施工方面因所用材料的不同而不同一樣，FDM複合工裝的有效設計和使用也取決於這些考慮因素：

•固化溫度

•CTE

•精度和公差要求

•工藝參數（固結壓力和真空裝袋方法）

•工具準備（密封）

•預期用途（工具壽命）

固化溫度

複合材料結構的固化溫度是FDM材料選擇的一個重要因素。FDM材料能夠覆蓋廣泛的固化溫度範圍，如下一頁圖1-2所示。

如圖1-2所示，ULTEM 1010樹脂具有相關FDM材料中最高的溫度能力。它還具有最低的CTE，使其成為大多數複合材料工具應用的首選。雖然由PC和ULTEM 9085樹脂製成的工具可以承受250°F（121°C）固化材料系統的固化迴圈，但ULTEM 1010樹脂仍然是將膨脹影響降至最低的最合適選擇。其他材料財產見第2節。

圖1-2：FDM工具材料的近似固化溫度能力。

熱膨脹係數

CTE是幾乎所有複合材料疊層工具的一個重要考慮因素，因為它會影響複合材料結構的最終物理形狀。表1-1列出了相關FDM材料以及常見常規工具材料的CTE。由於FDM材料的CTE相對較高，這是工具設計過程中的一個重要考慮因素。工具設計可以而且通常應該進行修改，以補償與高溫下的熱膨脹相關的尺寸變化。第3節提供了此類調整的示例。除了幾何補償外，CTE工具和零件材料之間的差異也是影響工具類型（公工具和母工具）和潛在複雜性的因素。對於公工具，簡單地調整工具的尺寸以補償增長通常就足夠了。對於一些應用，例如用於纏繞/包裹的心軸，CTE可以有利地用於改善簾布層的固結並簡化心軸的移除。對於內螺紋工具，特別是那些輪廓陡峭、吃水深度較深的工具，需要格外小心，以確保零件能夠安全地從工具上移除，而不會造成損壞，並管理施加在由此產生的零件上的殘餘應力。第6節提供了成功使用男性和女性工具的更深入的例子。

有關如何修改工具設計以補償CTE影響的詳細資訊，請參閱第3節中的CTE補償。提供了用於計算比例因數以修改工具幾何形狀的細節。

精度和公差

FDM能夠生產精度為±0.0035英寸（0.09mm）或±0.0015英寸/英寸（0.0015毫米/毫米）的工具，以較大者為准。請注意，所有精度都取決於幾何形狀，主要是由於工藝的熱性質。有關機器精度的更多資訊，請訪問www.stratasys.com（包括有關該主題的白皮書）。為編制本指南，編制了各種代表的準確度數據熱迴圈前後的幾何形狀。參見第5節其他數據和詳細資訊。

對於需要比直接從FDM 3D印表機實現的精度更高的精度的複合工具，結合脫脂塗層機加工是一個可行的選擇。設計第3節“近淨形狀工裝的設計建議”中列出了機加工建議的建議和初步數據。關於這個主題的其他開發工作正在進行中，並將在後續的設計指南版本中提供。

工藝參數

製造工藝和固化週期參數，特別是固化壓力和真空裝袋方法，影響FDM複合材料工具的設計和風格。它們通常被分類為shell樣式或稀疏樣式工具。（參見下麵的圖1-3。）第3節提供了更多資訊。

圖1-3：無人機風扇葉片工具，顯示了外殼和稀疏工具的示例。

外殼式工具適用於大多數應用，能夠承受100+磅/平方英寸（690+千帕）的高壓釜壓力，有利於表面和外殼真空裝袋方法。對於許多幾何形狀，它們是最具成本效益的設計，因為它們最大限度地減少了材料使用和建造時間。稀疏型工具往往具有更大的整體剛性；一些幾何形狀需要使用它們。這將在第3節和第6節中詳細說明。稀疏工具也可以是表面袋裝或信封袋裝。然而，當信封如果使用裝袋，請遵循第3節中關於施工參數的指南，以避免損壞工具。

工具準備

FDM工藝由於擠出材料珠粒的物理限制而固有地產生一定程度的內部孔隙率，如圖1-4所示，圖1-4顯示了示例構建層的刀具路徑橫截面和擠出珠粒輪廓的橫截面。該過程還產生可感知的構建層，這些構建層根據零件的形狀和層厚度（切片高度）而變化。因此，為了確保高質量的表面光潔度和真空完整性，通常需要對FDM工具進行後處理。

圖1-4：示例刀具路徑的頂視圖（左）和焊道輪廓的橫截面（右），顯示了FDM零件的固有孔隙率。

工具被磨損，以平滑可察覺的構建線，並被密封。然後對它們進行最後的拋光處理，使表面光潔度符合典型的行業要求。儘管各行業的要求有所不同，但通常認為64µ英寸（1.6µm）Ra的光潔度是可以接受的。使用附錄B中提供的標準程式，FDM複合材料工具可以始終獲得比16µ英寸（0.4µm）Ra更光滑的光潔度。根據具體應用，可以使用一系列材料進行密封。迄今為止，最常用的材料是高溫的、由兩部分組成的環氧樹脂粘合劑。環氧樹脂薄膜

粘合劑、粘合劑背襯的FEP膜和類似產品也已被成功使用，並且根據特定用途的要求具有明顯的優點，例如易於應用。第4節提供了迄今為止評估的其他資訊和具體產品。一旦零件被密封，就可以使用普通脫模劑為複合材料零件的疊層做準備。建議使用水基脫模劑。

預期使用和工具壽命

FDM複合材料工具成功設計和使用的最終考慮因素是瞭解該工具的預期應用。應用往往會推動材料選擇（例如，固化溫度要求）和整體設計，並將其納入工具結構和密封方法中（即，工具是包絡還是表面袋裝，固結壓力是多少？）。評估預期的工具壽命也很重要，該壽命由工具將經歷的固化迴圈次數決定。可以構建用於少數原型複合材料零件的工具，以最大限度地降低成本。用於即將到來的、計畫關鍵的複合修復的工具可以進行優化，以獲得快速的構建時間。而用於長期生產和更高零件量的工具幾乎需要在所有方面進行更嚴格的審查。

FDM複合工具的大多數用途是用於相對較低的零件體積（<25個零件）。然而，在本指南的開發過程中，開始了工具壽命表徵測試，結果數據表明，FDM複合材料工具能夠實現更長的工具壽命——數百次迴圈。詳見第5節。額外的工具壽命評估正在進行中，結果將在後續的設計指南發佈中提供。

第2節-FDM材料

FDM技術生產各種高性能熱塑性材料的工具。每種材料都有其優點和局限性，在複合材料零件製造中必須加以考慮才能有效使用。應用要求將指導材料選擇。作為一般指南，ULTEM 1010樹脂是幾乎所有疊層工具（模具和心軸）的推薦材料，ABS或ASA對於輔助工具（修整工具、夾具、鑽杆導軌等）以及低溫母材都非常有效。FDM零件的財產將是各向異性的，這主要是由於構建過程的性質。各向異性傾向於影響力學財產；熱財產（如CTE）也受到影響，儘管影響程度較小。例如

ULTEM 1010樹脂的“流動”（平行於擠出的珠粒）和“交叉流動”（垂直於擠出的珠子）之間的CTE小於4%。

本指南關於FDM材料的主要作用是幫助選擇並提供能力感。所有Stratasys材料的其他資訊和數據可在www.Stratasys.com上找到。下表2-1提供了與複合材料模具應用最相關的FDM材料指南。

表2-1*-表示不可用的數據。

第3節-工具設計和施工

設計注意事項和影響

與傳統製造的工具相比，FDM複合工具的優點在於，FDM工具可以具有複雜、高功能的設計，而不會犧牲成本或交付週期。FDM工具的設計過程主要由最終複合材料零件的工藝參數（固化週期、壓力、裝袋方法等）驅動。通常，在本指南中，工具設計分為兩種主要類型：外殼和稀疏。外殼工具是一種相對簡單的方法，它提供了工具的疊層表面，延伸到零件邊緣（EOP）之外，以一定的厚度構建，以在最少使用外來材料的情況下提供穩定性。類似地，稀疏工具使用shell工具的基礎，但使用稀疏的雙密集（或類似的填充）光柵圖案來增強它。FDM複合工具並不局限於這兩種風格——設計可以根據應用程式的需要進行複雜、簡單或功能導向。以下小節中的設計旨在演示了FDM複合工具設計和生產的兩種基本風格。

注：本設計指南中的稀疏結構是指Insight軟體中的稀疏雙密和六邊形填充模式。Insight中的可用模式簡稱為“稀疏”（請參閱附錄C中的定義），它只在一個方向上提供光柵填充，不建議用於複合工具應用。

圖3-1：無人機風扇葉片的稀疏型和外殼型工具。

外殼樣式工具

殼式工具通過使用最少的材料，在不犧牲工具性能或最終零件品質的情況下，展示了FDM的優勢。在許多情況下，只需要3D列印實際的鋪設表面（延伸到EOP之外，為多餘的材料提供空間），不需要複雜的支撐結構或背襯。這種工具的厚度可以變化，但經驗數據表明，0.3英寸（7.6毫米）提供了工具剛度和材料消耗之間的平衡。這種類型的工具可以是包絡或表面袋裝，但為了簡單和減少真空洩漏的可能性，建議在可行的情況下使用包絡袋裝。這種類型的工具可以承受超過100磅/平方英寸（689千帕）的高壓釜壓力。

稀疏樣式工具

儘管外殼往往會降低成本和建造時間，但某些設計可能需要額外的剛度，尤其是對於大型和/或多節段工具。稀疏工具包含光柵填充圖案，以增加強度和剛度。這種設計可以是包絡裝袋或表面裝袋，但表面裝袋最常見的是，如果光柵間距不夠密集，可以消除任何破碎的可能性。

表3-1提供了使用包絡裝袋方法時稀疏工具相對於固結壓力的光柵間距或密度的一般設計指南。應注意的是，表中的指導方針適用於默認的稀疏雙密和六邊形填充圖案，以及僅具有0.020英寸（0.508毫米）切片高度的ULTEM 1010樹脂。其他圖案（例如六邊形和自定義填充）和材料將遵循類似的指導方針，但性能尚待驗證。結果也可能有所不同

基於特定的工具幾何形狀。

實驗確定，壁厚（即輪廓的數量）對結果的影響最小——這意味著，增加壁厚並不能顯著提高性能。支持表3-1中指導的結果是針對0.1英寸（2.5毫米）的壁厚。試樣的幾何形狀如圖3-2所示。

為了支持表3-1中的指南進行測試，圖3-2中所示的試樣的壁厚從0.1英寸到0.3英寸（2.5毫米到7.6毫米）不等，稀疏光柵間距從1.0英寸（25.4毫米）到小於0.08英寸（2.03毫米）不等。沒有顯示間距為1.0英寸（25.4 mm）的稀疏雙密實試片的結果，因為即使在最低固結壓力下，它們也會發生損壞/壓碎。所有試樣均在350°F（177°C）溫度下進行測試。

表3-1還提供了關於每個填充圖案配置的相對材料使用的資訊，以闡明相對工具成本。例如，具有0.25英寸（6.35毫米）稀疏雙密集光柵間距的工具的成本將比具有0.5英寸（12.7毫米）光柵間距的相同工具高出約30%，並且比1.0英寸（25.4毫米）六邊形間距高出40%。儘管不包括構建時間，但它通常以略低於相同速率的速率進行擴展，因此保守的相對成本計算對於粗略的數量級比較仍然有效。

表3-1*相對材料用量是指與0.5英寸（12.7 mm）稀疏雙密間距的等效幾何形狀相比的材料用量**在固化迴圈期間，將袋子排放到大氣中。

圖3-2：用於包絡袋裝稀疏型工具ULTEM 1010樹脂結構完整性測試的試樣。左圖顯示0.5英寸（12.7毫米）的稀疏雙密集光柵間距。右圖顯示1.0英寸（25.4毫米）的六邊形光柵間距

工具構建方向

FDM機器中刀具的方向是一個重要的考慮因素，因為它會影響構建時間、所需的支撐材料數量、產生的表面品質（階梯式）以及整體性能（由於財產的各向異性）。在工具的初始設計期間而不是之後考慮構建方向是很有價值的，因為在這個階段所做的選擇在構建方向中發揮作用，從而影響工具的最終性能和成本。

通常，建議將工具的疊層表面定向為以“垂直”方向列印（參見圖3-3至3-5），這在最大限度地減少樓梯臺階、支撐材料使用和建造時間方面是最有效的，所有這些都會直接影響工具的成本。如果工具具有多個高度輪廓化的表面，則應努力確定工具的方向，使表面的大部分呈現最少的階梯。以下示例顯示了生成FDM工具的主要方向。所描述的取向並不是唯一可以使用的取向，而是旨在提供參考以顯示每種取向的優點和缺點。

平面構建方向：如下圖所示，“平面”方向往往是最不可取的，因為它通常有最多的樓梯臺階，需要最多的支撐材料。因此，在這種方向上構建的工具將需要更長的後期處理時間，並且由於所需的支撐材料而具有更高的成本。

圖3-3：“扁平”構建方向。

次優垂直構建方向：儘管圖3-4中的工具處於“垂直”構建方向，但它不是理想的方向這種方向將有效地減少樓梯踏步；然而，需要大量的支撐材料來支撐工具的“腿”，這會增加構建時間和成本。

圖3-4：次優“垂直-A”構建方向。

最佳垂直構建方向：圖3-5（垂直-B）所示的垂直構建方向是首選的，因為它將有助於最大限度地減少樓梯臺階，同時節省支撐材料。因此，以這種方向構建的工具將需要更少的構建時間和後期處理時間，以及材料成本。

圖3-5：最佳“垂直B”構建方向。

表3-2說明了構建方向對給定工具的構建時間、材料使用和表面品質的影響。正如預期的那樣無論方向如何，構建工具所需的模型材料量基本相同。對構建時間的影響相當大重要的是，構建未優化定向的工具可能需要兩倍的時間。最後，支撐材料的差異由於最佳取向使用的量幾乎可以忽略不計（<1立方英寸），因此對於該特定示例而言消耗是顯著的。

CTE補償

如前所述，從工具設計開始就考慮CTE的影響是很重要的。工具的尺寸變化可以使用以下方程計算，也可以使用比例因數來修改工具的幾何形狀，以補償高溫下的膨脹。比例因數用於調整最大固化溫度Tcure下的工具膨脹。初始或起始溫度Tinitial通常為室溫。 variables ∝tool and ∝part represent the CTE of tool and part, respectively.

將一除以一加上膨脹係數將提供比例係數，通過該比例係數，需要調整工具以生產具有適當最終尺寸、形狀和尺寸的複合材料零件。

為了證明這一點，假設ULTEM 1010樹脂工具將經過350°F的固化迴圈。縮放因數的計算如下所示。

這意味著工具的長度（在350°F、177°C下）將每英寸擴展0.00686英寸（0.00686 mm/mm），工具需要按0.993149的因數縮放，以補償尺寸變化，並生產具有適當最終幾何形狀的複合零件。

縮放工具的確切方法或步驟會因所使用的CAD軟體而異，但對於SOLIDWORKS，請選擇：InsertàFeaturesàScaleà輸入適當的縮放因數

圖3-6：SOLIDWORKS中的模型縮放菜單。

FDM組合工具的設計技巧：

以下是FDM工具成本效益設計的一般提示。

1.為了使成本最小化，希望列印盡可能少的材料。在許多情況下，這意味著使用外殼式工具主要捕獲零件的疊層表面，而不需要任何精細的支撐結構。

2.使用自支撐角度（參見附錄C），以儘量減少所需支撐材料的數量。懸挑特徵需要支撐材料，這增加了所需材料的數量和構建時間。

3.確定工具的方向，使疊層表面以垂直方向列印。此方向通常會產生最佳曲面通過減少臺階來完成。請參見工具構建方向（第3節）以獲取參考。

FDM複合材料刀具的設計與改進

以下小節包含有關如何設計、修改和優化陽性和陰性外殼和稀疏樣式工具的資訊。它也是

建議調整最終設計幾何形狀，以補償先前詳述的熱膨脹（參考先前CTE補償小節中確定刀具比例因數的程式）

設計指南

FDM CompositeTools的設計與改進

以下小節包含有關如何設計、修改和優化陽性和陰性外殼和稀疏樣式工具的資訊。還建議調整最終設計幾何形狀，以補償先前詳細說明的熱膨脹（參考確定程式上一個CTE補償小節中的工具縮放因數）。

外螺紋殼體工具設計

1.從所需複合材料零件的形狀（模型）開始，因為這將建立零件的疊層表面、EOP和修剪區域（圖3-7）。

2.通過延伸EOP外部的表面來創建零件的修剪區域（圖3-8）。

3.將工具表面加厚至0.3英寸（7.6毫米）（建議用於大多數工具）。厚度可根據具體工具的需要進行調整配置和應用要求（圖3-9）。

4.增加穩定功能，如支腿，允許工具在上籃過程中平放在桌子上。或者，可以列印一個低溫支架而不是支腿，以在上籃過程中支撐外殼工具。加強功能如果需要，也可以添加。還可以包含工具編號等識別特徵（圖3-10）。

5.在拐角處添加圓角，以減少應力集中並提高堅固性（圖3-11）。

6.使尖角和邊緣變圓，以防止真空裝袋材料刺穿，特別是在信封裝袋時。圓角半徑為0.1-0.5英寸（2.5-12.7毫米）通常就足夠了（圖3-12）。

現在可以使用Insight來準備工具路徑。如前所述，建議在圖3-13所示的垂直方向上構建工具，以獲得最佳的表面光潔度和最少的支撐材料消耗。

外殼工具將具有至少三個輪廓的實心填充光柵圖案，如圖3-14所示

稀疏刀具的設計

刀具的設計工具的一般設計過程與外殼工具的設計過程相似，主要例外是工具腔（如圖3-15中的箭頭所示）將用稀疏構建結構填充（填充密度或光柵間距和填充樣式可根據應用的固結壓力要求而變化；一般指南見表3-1）。仍然建議對銳角和邊緣進行圓角處理，特別是在將工具裝入信封的情況下。還建議稀疏型工具設計有通風通道，以便在高溫固化過程中加熱和膨脹時，工具內的空氣排出。這可以通過多種方式實現，從一端開口到設計小的通風孔。

圖3-15：稀疏型工具（箭頭所示的空腔）。

仍然建議在垂直方向上構建本例中的工具如圖3-16所示的方向，以產生最佳的表面光潔度（儘量減少臺階）。設計還應使用至少三個輪廓（如圖3-17所示）。請注意，結構完整性測試基於0.1英寸的壁厚。工具的內部應使用六邊形或稀疏雙密集填充圖案。這些填充模式提供了性能、構建時間和材料使用之間的平衡。單元格大小可以根據工具將受到的固結力的應用和大小而變化，如表3-1所示。

深內殼式工具設計

儘管FDM材料的相對較高的CTE甚至更高對內螺紋工具的重要考慮（由於固化後可能將零件鎖定在工具中），尤其是那些具有深壁和最小尺寸的內螺紋工具草案，有效使用3D列印的女性工具仍然是可行的。內殼工具的設計過程類似於外殼工具，並從所需的零件幾何形狀和EOP定義開始。

圖3-18：複合材料零件示例。

拔模角和圖形的使用將有助於零件提取，並且應盡可能將其納入設計中。

1、加厚刀具表面。建議厚度為0.3英寸（7.6毫米）。此外，將刀具放置表面延伸到EOP為多餘材料和裝袋提供空間。

圖3-19：加厚刀具表面。

2、如有必要，結合圖形，以幫助零件脫模（即，圖形將在EOP外部提供一個區域，以便在從工具上拆卸零件時夾緊或施加杠杆作用）。

圖3-20：將圖形添加到頂部工具表面。

4、通過在工具周圍添加0.1-0.5英寸（2.5-12.7毫米）的圓角或倒角來去除尖銳的邊和角。

圖3-21：刀具拐角和邊緣的圓角。

與陽殼工具類似，陰殼工具也有一個至少有三個輪廓的實心填充光柵圖案。建議以平面方向列印此特定示例工具設計，即使沿半徑會有一定程度的階梯。使用這種方向是因為它最大限度地減少了支撐材料的使用和建造時間，提供了建造考慮因素（即表面光潔度、材料消耗和建造時間）的最佳折衷。

圖3-22：該工具的推薦構建方向。

儘管在該方向上法蘭突出部分需要相當數量的支撐材料，但仍低於其他潛在方向上所需的支撐材料。下圖顯示了該工具的橫截面，紅色箭頭指示將具有最明顯階梯的區域，藍色箭頭指示需要支撐材料的區域。或者，可以在法蘭外部添加45度倒角，以消除對支撐材料的需求，如圖3-24所示。

圖3-23：工具設計的橫截面圖，紅色箭頭指示預期樓梯臺階區域，藍色箭頭指示箭頭指示具有所需支撐材料的區域。

圖3-24：工具設計的橫截面圖，包括自支撐角度，以消除對支撐材料的需求。藍色箭頭表示自支撐角度。

雌性稀疏型工具設計

稀疏設計的深拔模內螺紋工具與傳統金屬工具的設計最為相似。這種類型的設計通常不是優選的，因為它需要比殼體陰工具更多的材料，並且沒有提供顯著的優點。這樣的設計將是非常剛性的，但外殼式的等效物也提供了足夠的固有剛性。然而，對於更簡單的零件橫截面，例如機翼前緣的U形，可能需要使用稀疏樣式（或其他加強特徵）來提高工具剛度，該方法如下所述。

1.首先在遠離定義複合零件的表面的方向上擠出疊層表面。通過在工具周圍添加0.1-0.5英寸（2.5-12.7毫米）的圓角或倒角來去除尖銳的邊角（圖3-25）。

2.使用Insight處理檔，並使用至少有3個輪廓的稀疏雙密集或六邊形填充圖案。填料密度（光柵間距）應遵循表3-1中提供的指南（當信封裝袋時；當表面裝袋時不需要）（圖3-26）。

圖3-26：稀疏雙密集填充刀具路徑的俯視圖

FDM現有刀具設計的修改

在許多情況下，現有的工具設計（用於機械加工）將可用，並將被考慮用於3D列印。儘管這通常不能提供對於FDM工藝最優的設計，但是可以相對容易地修改這樣的設計以更好地適應FDM。對於這種方法，應去除修剪/劃線（以及類似的精細特徵），因為它們通常列印不好，並且可能在打磨和密封過程中被去除。有關更多詳細資訊，請參閱本章後面的“劃線”部分。或者，可以列印單獨的修剪工具（或類似的加工助劑），以將層壓板精確修剪到正確的EOP定義。此外，如圖3-27所示，由於生產孔、銷和熱電偶端口所需的額外支撐材料，以及此類FDM特徵通常具有顯著不同的設計，因此應移除或重新設計（如本文所述）。

圖3-27：通常必須為FDM移除或重新設計的工具特徵。

在許多情況下，現有的工具設計包含可以移除的多餘材料，這將減少材料消耗、構建時間和成本。下圖3-28中的箭頭顯示了可能存在多餘材料的區域在不影響性能的情況下從工具中移除。

圖3-28：傳統工具設計中可以去除的多餘材料。

劃線

幾乎所有的複合材料零件都是超大尺寸生產的，並通過二次加工修整到合適的尺寸。為了有助於這一過程，在傳統的複合材料工具中添加精細的凹槽或“劃線”，以在複合材料零件上進行標記，並在二次操作中提供跟隨或拾取的功能。無論當前提供的切片高度如何，典型尺寸（0.005-0.010英寸，0.127-0.254毫米）的劃線都不會可靠地顯示在FDM工具中。因此，不建議使用它們。代替印刷的劃線，

可以考慮使用印刷裝飾固定裝置（例如以下部分顯示了建議）或列印指南並在密封操作之後手動劃線工具。

在不同的切片高度和列印方向上對劃線幾何結構進行了簡單的研究，以確定用戶的通用指南。使用寬度為0.020英寸（0.508 mm）、0.030英寸（0.762 mm）、0.040英寸（1.016 mm）、0.060英寸（1.524 mm）和0.080英寸（2.032 mm）的矩形、V形和半圓形劃線創建幾何體，如圖3-29所示。圖3-29和3-30顯示了0.020英寸（0.508 mm）（T40尖端）和0.007英寸（0.178 mm）的切片高度（T14尖端）的各種列印方向。圖像顯示劃線高度依賴於方向和切片高度。更精細的切片高度可提高劃線解析度。

然而，即使在0.007英寸（0.178毫米）的切片上，劃線也取決於方向，並且必須比傳統劃線幾何結構大得多（0.030-0.040英寸，0.762-1.016毫米）。

圖3-29：劃線試件視圖

圖3-30：在不同方向（垂直、水準、45°）列印0.020英寸（0.508 mm）切片高度的試樣視圖。

圖3-31：在不同方向（垂直、水準、45°）列印0.007英寸（0.178mm）切片高度的試樣視圖。

修整工具、鑽頭導向器和類似輔助工具的設計

到目前為止，本設計指南的重點一直是複合材料疊層工具，但FDM技術也被證明對輔助工具的創建是穩健的。工具，如修剪和鑽孔夾具、組裝輔助工具、檢查夾具和其他類似工具，通常可以設計為快速且廉價地列印，並且與疊層工具不同，通常可以用任何材料列印，並且不需要打磨或密封。還可以在需要時結合諸如襯套和插件之類的硬體。

以下程式提供了示例。首先將工具表面偏移0.005英寸（0.127毫米），以提供足夠的間隙並提高可用性。

圖3-32：複合材料零件示例

圖3-33：從複合零件上偏移修剪工具表面

2、將所得表面加厚0.2英寸（5.1毫米）（建議），並封閉以形成固體。

圖3-34：修整工具表面加厚。

3、鑽孔導向器可以作為一個單獨的工具創建，或者在許多情況下，如圖3-35所示，將其合併到修整工具中。工具可以用單個輪廓和實心光柵填充圖案列印。

圖3-35：添加了鑽導特徵的修邊輪廓。

內部功能設計和修改

內部特徵，如工具內的孔或熱電偶端口，應包含自支撐角度（與結構的夾角>45°臺板），以消除對額外支撐材料的需要。圖3-36中的示例和圖3-37顯示圓形和矩形孔和空腔如何需要支撐材料，而使用自支撐角度的形狀不要。

圖3-36：FDM零件的內部特徵示例。

圖3-37：在需要的地方顯示了帶有支撐材料的內部特徵示例。

除了需要支撐材料外，水準孔（相對於X-Y結構平面）將由於階梯而具有較差的解析度。解決問題的最佳方法這是為了設計和列印一個尺寸較小的菱形導向孔或在二次操作中鉸削至最終尺寸。

外部特徵設計和修改

外部特徵，如導銷，需要與內部特徵所述的相同的自支撐構建角度，但對於兩個水準軸（參見圖3-39）。圖3-40和3-41中的示例顯示了各種形狀及其相應數量的所需支撐材料。

通過在X軸和Y軸上添加自支撐角度，如圖所示如圖3-41所示，可以在沒有支撐材料的情況下生產銷。

圖3-41：導軌特徵設計為在兩個水準軸上具有自支撐角度，因此不需要支撐布料

局部鋼筋或可變密度（插入件，機械加工、襯套）

在許多工具設計中，都希望結合局部增強或可變密度區域。局部加固最常見的兩種需求是在襯套/插入件周圍添加材料，以及為接近淨形狀的工具進行脫脂塗層加工。以下部分將討論將局部鋼筋用於機加工和嵌入的方法。

近淨形狀工具的設計建議

如果FDM印表機的公差超過所需複合工具的要求，用戶可以列印稍大尺寸的疊層工具（帶有額外材料疊層表面），並用機器將工具加工至最終尺寸。建議為加工面增加0.04-0.12英寸（1.02-3.05毫米）的厚度。請注意，較厚的加工面使用更多的材料，這將增加列印時間、成本和浪費。

初步研究表明，ULTEM 1010樹脂可以通過廣泛的切削速度進行機械加工。因此，強烈建議列印測試優惠券，以根據您的特定需求和磨機設置撥入進給和速度。常見行業參考文獻以及兩個客戶示例列出的進給率和速度如下：

常見行業參考：¾英寸高速鋼立銑刀，切削深度為0.25英寸，速度為3240-5400英寸/分鐘。

客戶1：2英寸飾面機，主軸速度為900-950轉/分，進給速度約為100英寸/分鐘，用於簡單的飾面操作。

客戶2:3/4英寸立銑刀，主軸速度為12500轉/分，初始粗道次進給速度為433英寸/分鐘，1/2英寸球頭銑刀，主軸轉速為12500 rpm，精加工道次進給速率為244英寸/分鐘。

有兩種主要方法可以結合額外的材料進行機械加工或局部加固：

單體-該工具可以設計為一個單獨的實體，並結合了額外的加工厚度，如圖3-42所示。儘管從設計和文件準備的角度來看，這種方法更快、更容易，但它可能會導致更多的材料使用。這是因為在加工面所需的固體材料量（對於0.020英寸、0.508毫米的切片高度，額外的2-3個輪廓）將被添加到工具的整個外表面周圍。

圖3-42：工具設計渲染圖（頂部），洞察工具路徑視圖顯示了加工表面（底部）。

多主體（推薦方法）-或者，可以將刀具設計為最終規格，並將添加的加工面作為一個單獨的主體，如圖3-43所示。儘管從工作流的角度來看（設計和文件準備）更為複雜，但多主體方法通常會節省大量材料。這是因為添加的材料厚度僅應用於需要的地方，而不是應用於工具的整個外表面。

圖3-43：顯示工具主體、加工面和襯套塞的多個主體的工具設計效果圖（頂部），洞察刀具路徑視圖僅顯示加工表面的增加厚度（底部）。

多體設計和文件準備示例：通用整流罩此通用整流罩示例將顯示設計和準備用於列印的多體複合材料工裝檔的基本步驟。該示例從基本整流罩工具開始，該工具已針對增材製造進行了優化，利用了前幾節中討論的原理和技術，如圖3-44所示。該工具將設計用於工具表面的脫脂塗層加工，還包括用於加工滾珠襯套的塞子。

圖3-44：通用整流罩工具設計的CAD渲染圖。

第一步是為加工面、每個襯套和/或工具內所需的任何其他局部增強或可變密度區域創建單獨的實體。

加工面設計：根據所使用的CAD系統，工藝可能會有所不同，但使用SolidWorks的基本工作流程是

如下所示。

1.將臨界表面（待加工區域）偏移到所需的加工厚度。

a.注：初步測試表明，加工面厚度在0.04英寸（1.02 mm）和0.12英寸（3.05 mm）之間通常是足夠的。

2.將偏移曲面向工具方向加厚相同的距離，確保不會合併實體。

3.在Insight切片軟體中創建一個參考幾何體，以便正確對齊所有刀具部分。

a.注意：使參考幾何圖形在列印方向上略高於工具。圖3-45顯示了一個簡單的擠壓矩形作為參考幾何圖形。

圖3-45：帶有單獨加工面和參考體的刀具本體視圖

局部套管加固設計（可變密度）：CAD系統和設計方法/偏好將決定設計工作流程，但最終結果應該是批量工具中有一個帶有相應塞子的空腔，如圖3-46所示。儘管不需要，但建議將塞子和空腔凹陷至用於工具表面的輪廓數量的厚度（0.12英寸（3.05 mm），這是0.020英寸（0.508 mm）切片高度的三個輪廓。這將隱藏在兩者交界處創建的接縫STL檔，從而獲得更好的表面光潔度。此外，建議對型腔和pug的最內表面進行倒角，以最大限度地提高可列印性，如圖3-46所示。

圖3-46–顯示了嵌入工具表面下方的塞子設計，帶有45度倒角，便於列印。

創建單獨的實體後，將具有不同構建參數（填充圖案、密度等）的每個實體以及參考幾何圖元導出為單獨的STL檔。在這種情況下，三個單獨的將生成STL檔：批量工具和參考幾何體；這個加工面和參考幾何形狀；以及襯套塞和參考幾何形狀。

創建STL檔後，在Insight中分別準備和切片每個STL。每個STL都應導入並定向，參考體應放置在同一位置，如圖3-47所示。對STL進行切片並對層進行分組根據該工具部分的需要，並將其保存為作業，如圖3-48所示。下麵的列表為該工具的不同區域提供了基本的構建參數建議。

•套管和插入塞應牢固

•加工面應堅固，最好有輪廓，沒有光柵

•工具主體應具有所需的填充圖案和至少3個輪廓

準備好所有檔後，在Insight中打開刀具主體檔，並通過轉到切片選項卡並選擇組合切片曲線檔將加工面切片添加到刀具中，如圖3-49所示。

圖3-47：刀具本體、加工面和襯套STL檔的視圖Insight中原點處的參考體。

圖3-48：將檔保存為作業。

圖3-49：Insight“切片”選項卡的視圖。

在Combine slice curves（組合切片曲線）窗格（Insight程式的右側）中，流覽到所需的切片檔，並確保將新檔與原點（0,0,0）對齊，如圖3-50所示。選擇“確定”並接受有關重疊曲線的任何警告。對套管塞切片檔和需要添加到工具部件的任何其他切片檔重複此過程。

圖3-50：將切片曲線與原點。

將所有切片曲線組合到一個切片檔中，刪除定義參考幾何體的曲線。檢查切片層以確保所有內容都正確對齊和分組。如有必要，添加固定銷。

注：強烈建議在所有ULTEM 1010樹脂工裝結構中使用固定銷。

生成支持和工具路徑。檢查生成的刀具路徑是否有任何異常、錯位等。圖3-51顯示了正確切割時面板、批量刀具和套管塞刀具路徑的外觀。車身之間不應有間隙，因為這將導致財產降低。如果一切都令人滿意，請將檔另存為新名稱下的作業。

圖3-51：Insight檔視圖，顯示襯套塞、工具本體和加工面完全對齊，沒有間隙。

套管/插入件精度和最佳實踐

複合工具通常包括用於工具球的各種插入件，索引卡舌/引腳、夾具等。金屬插件和硬體可以通過各種方法插入FDM零件和工具中，如熱熔、壓裝和封裝。為了獲得插入硬體的最佳效果，請參閱Stratasys inserting hardware Post Build最佳實踐指南。

與一家領先的公務機OEM合作進行了一項研究，以確定金屬襯套的迴圈精度。創建了一個具有不同厚度的簡單矩形幾何體。在250°F（+/-10）（121°C+/-5.5）下進行八次熱迴圈前後，將插入件熱樁固定在幾何結構中，並使用FARO臂掃描器測量套管的位置。圖3-52顯示了幾何結構的圖像，表3-3顯示了測量數據。這項簡單的研究表明，襯套位置在八次迴圈後仍保持在其初始位置的0.007英寸（0.20毫米）以內。顯示最大尺寸變化的方向（Y方向）是最長刀具路徑的方向（單層內列印的方向）。圖3-52中的X方向是層沉積的方向，在印表機中也稱為構建方向或Z軸。

圖3-52：熱迴圈前的幾何圖形。左下角是測量原點。

工具分割和連接

對於大於FDM機器構建室的工具（例如，Fortus 900mc構建室為36英寸寬x 24英寸深x 36英寸高[914 x 610 x 914 mm]），工具切片和分割是一種可行的方法。工具可以分段建造，尺寸適合建造室，並通過二次操作連接，如熱焊接或結構粘接。為了有助於組裝，接頭特徵可以很容易地結合到工具設計中，以確保正確的配合和對齊。建議使用大型機械接頭，將零件對齊並以幾何方式鎖定在一起，以增加接頭的結構完整性並簡化裝配過程。常見的在大型工具應用中取得成功的裝配接頭包括榫槽、燕尾榫和鋸齒形。將機械鎖定件結合到接頭設計中可以幫助組裝和添加機械強度。不建議使用對接接頭，因為它們的機械強度較差且缺乏自對準性。需要分段的工具示例如圖3-53和3-54所示；第6節提供了這些具體案例的額外資訊。

對於連接工具段，可以使用具有承受固化溫度的適當能力的相容結構粘合劑進行粘合。兩部分環氧膏狀粘合劑Hysol EA 9394已經成功演示，儘管許多其他材料也可以有效工作

或者，也可以使用熱焊接方法。與金屬焊接類似，熱焊接包括使用熔化的熱塑性材料熔化部件。儘管該工藝往往需要經驗豐富的操作員才能正確執行，但其優點是，考慮到該工藝允許使用與FDM零件本身相同的熱塑性材料，由此產生的接頭將以與周圍結構幾乎相同的方式（機械和熱）執行。

有多種類型的熱焊機可供選擇。擠壓焊機將自行進給並在接頭介面處施加一道材料，而熱風焊機則需要手動進給材料。兩者均可用於同時熔化進料和接頭表面，以形成牢固的結合。附錄a中提供了熱風焊機的應用示例。

圖3-53:Aurora Flight Sciences整流罩工具模型，分為七個部分（用不同的顏色標注）。

圖3-54：六英尺直徑的天線罩模具，利用具有單獨蝶形鎖定的大型嵌套和對齊功能在粘接和組裝過程中將各部分固定在一起的接頭

延伸閱讀 ：

複合材料工具2.0的FDM設計指南（二）

複合材料工具2.0的FDM設計指南（三）