在過去的四年里，大幅面增材制造 (LFAM) 技術已從一種新穎的技術方法發展成為一種穩健可靠的制造技術。LFAM 使用顆粒原料以每小時25磅以上的沉積速度3D打印部件，進而打印出每個重達數百甚至數千磅的大型部件。該工藝的顆粒原料通常是熱塑性復合材料，由熱塑性樹脂與短碳纖維或玻璃纖維組成。

材料、設備和打印供應商的成功經驗使得該技術得到了更廣泛、更穩健的采用。Airtech、CEAD、SABIC、Thermwood 和 Additive Engineering Solutions (AES) 等行業公司之間的合作進一步推動了增材技術的采用和認可。隨著越來越多項目的成功完成，人們的認知度不斷提升，越來越多的公司正在探索 LFAM 如何幫助他們實現成本、質量和交付周期目標。遺憾的是，該技術的新用戶和潛在客戶遇到的第一個障礙是缺乏能夠讓他們快速上手該技術設計指南。制定有效的 LFAM 設計和制造策略對于行業參與者的進一步成功至關重要，重涂溫度、部件方向和焊道幾何形狀是成功且可靠的大幅面增材制造 (LFAM) 工藝需要考慮的一些關鍵設計變量。

LFAM熔頭的特寫，用筆作參考。

熔頭幾何形狀選擇

從歷史上看，增材制造 (AM) 設計對于熔融沉積成型 (FDM) 的重要性不如其他類型的 AM。桌面 FDM 機器的用戶，無論是消費者還是專業人士，通常都能夠根據規格在 CAD 中設計零件，并期望該設計能夠進行編程（即“切片”）并在 3D 打印機上打印。這種合理的預期部分源于這些小型機器生產的珠子尺寸和層數與通常生產的零件相比極小。在這種情況下，用戶選擇所需的周邊融頭數量和填充設置，而切片程序會針對通常為 0.016 英寸寬和 0.006 英寸高的熔頭輸出密集的刀具路徑迷宮。使用這種尺寸的熔頭，通常無需修改即可打印零件。

使用 LFAM，熔頭尺寸范圍為 0.25 至 1 英寸寬和 0.050 至 0.25 英寸厚，典型的熔頭尺寸為 0.75 英寸寬 × 0.2 英寸厚。這種熔頭的橫截面積約為傳統 FDM 熔頭的 1,500 倍，傳統 FDM 通常為未填充的熱塑性塑料，而 LFAM熔頭是纖維增強熱塑性復合材料。由此產生的熔頭相對于要打印的幾何形狀也大得多。由于這種關系，必須在開始設計之前確定將用于制造的熔頭幾何形狀，因為熔頭的幾何形狀將決定可實現的壁厚等變量。例如，考慮一個設計為具有 2 英寸寬的壁的部件，但要使用 0.75 英寸寬 × 0.2 英寸高的熔頭進行打印。當使用典型的 LFAM 切片機處理此設計時，它將生成一條兩倍熔頭寬的路徑，但熔頭之間會有一個 0.5 英寸的空隙。出現此空隙的原因是壁設計得比兩倍熔頭寬但比三倍熔頭窄。在這種情況下，如果設計師知道將使用 0.75 英寸寬的熔頭，則應將壁厚減小到 1.5 英寸（兩倍熔頭寬度），增大到 2.25 英寸（三倍熔頭寬度），或者與制造部門討論將所用的熔頭寬度更改為所需壁厚的倍數。

傳統 FDM 設計與 LFAM 設計之間存在一些重疊的領域是使用自支撐角。與傳統 FDM 類似，大多數熔頭尺寸都可以打印高達 45° 的自支撐角。如果設計需要更淺的支撐角，則可以通過使用具有更大寬厚比的熔頭來實現。在確定設計的熔頭尺寸時，這一點非常重要。

雙熔頭設計

切片、方向和支撐

在 LFAM 設計過程中，必須考慮的另一組問題是切片策略、打印床方向以及打印模型上支撐的使用。傳統的 FDM 理論通常允許以各種可接受的方向打印部件。這些方向是通過大量使用自動生成和放置的支撐結構來實現的，這些支撐結構很容易用手剝離或溶解在液體中。在 LFAM 中，這種支撐結構生成功能基本上不存在，而且在幾乎所有情況下都不切實際（除非您可以使用池子溶解支撐結構）。缺乏支撐結構使得難以或不可能形成較大的、無支撐的懸垂結構。因此，這些部件必須設計為基本上自支撐的，通常采用前面描述的自支撐角度。

此外，許多傳統上需要支撐結構的部件現在可以在構建平臺上定向，從而使關鍵幾何形狀能夠自支撐。這通常會導致非傳統的構建方向，但可以打印關鍵特征。這些方向帶來的一個挑戰是重心偏移，這可能導致部件在打印過程中翻倒。在這種情況下，設計師可以選擇添加一個簡單的支撐結構，類似于支架，以幫助在整個打印過程中支撐部件。

LFAM 的另一個特性是使用傾斜切片平面，這使得設計師能夠打印原本難以控制的幾何形狀。如果我們認為傳統的 FDM 打印機具有“水平切片平面”（與平坦構建板平行的切片平面），那么傾斜切片平面會將切片平面旋轉一定角度，通常與傳統水平面成 45° 角。如前所述，LFAM 通常僅限于 45° 自支撐角度。通過將構建平面旋轉 45° 并加入 45° 懸垂部分，設計師可以在設計中融入完整的 90°（垂直）特征。

最簡單的設想方法是考慮一個標準的六面空心盒幾何形狀。使用傳統的水平打印，可以打印底部和四個側壁。然而，盒子的頂部會成為一個問題，因為它是一個無支撐的表面，沉積的樹脂會直接落到打印盒的底部。如果用 45° 切片平面對相同的幾何形狀進行切片，垂直壁以及頂部和底部表面都將與標準切片平面形成 45° 懸垂部分，空心六面盒現在就可以打印了。

熱管理

影響 LFAM 打印成敗的最后一個因素是關鍵熱管理因素（例如層重涂溫度）的管理水平。這導致了 LFAM 打印中一種特殊的“金發姑娘”效應，即先前沉積層的溫度（通常稱為重涂溫度）既不能太高也不能太低。如果重涂溫度過高，部件很可能在打印過程中塌陷變形，甚至可能在構建過程中完全失效。如果重涂溫度過低，層間結合強度會受到影響，并且根據重涂溫度過低的程度，部件可能會出現珠粒之間的分層。

為了進一步提高熱管理的復雜性，每種熱塑性復合材料都有其獨特的重涂溫度范圍。通常，最低重涂溫度等于熱塑性復合材料的玻璃化轉變溫度 (Tg)。為了有效管理重涂溫度，強烈建議使用熱像儀提供實時反饋并記錄部件的熱歷史，以便日后分析。這種熱反饋對于打印過程中調整部件至關重要。

這里顯示的是來自熱像儀的讀數示例，它使AES能夠測量和管理涂層溫度

有效的熱管理需求對復合材料部件設計構成了挑戰，因為只有在設計完成、部件切片并開始打印后才能知道熱像儀數據。這是 LFAM 經驗真正發揮作用的一個領域。如果缺乏經驗，建議在設計過程的早期進行 10-20 層的短期打印測試，以測量特定幾何形狀的熱特性。這些數據對于改進設計非常有價值。熱管理也是在設計早期確定珠子幾何形狀的另一個原因，因為較大的珠子往往比較小的珠子保留更多的熱量并且冷卻得更慢。最后，盡量保持每層打印壁厚一致也很重要。例如，如果一個工具的設計采用 0.75 英寸寬 × 0.2 英寸厚的焊道，且工具面板設計為 3 英寸寬（四個焊道寬），但備用結構設計為單個焊道寬度，則該部件在四個焊道壁和單個焊道壁之間的冷卻速度差異會非常大，制造難度會非常高。

最終，特定材料和焊道尺寸的可接受重涂溫度范圍將決定能夠成功設計和打印的部件的最大和最小尺寸。

著眼于最終目標

在進行 LFAM 設計時，務必牢記設計的最終目標，然后逆向推導，考慮關鍵設計變量，例如重涂溫度、部件方向和焊道幾何形狀。如果在完成實際 CAD 設計之前就考慮到這些因素，LFAM 的成功幾率就會大大提高。