《设计指南2.0》有什么新功能？

Stratasys复合解决方案团队正在不断评估新技术，表征性能并验证最佳性能实践，以增加价值并扩展FDM复合工具的应用程序。2.0版设计指南包括额外的材料数据、经验测试结果、技巧、技巧、程序和新客户案例研究。具体而言稀疏式结构、划线建议、局部加固（用于插入件等）和其他机械特性数据已添加到本设计指南中。

第1节-简介和背景

范围

本技术设计指南介绍了使用Stratasys FDM®技术添加制造复合材料叠层工具的设计、加工、制造和后处理技术和程序。应尽可能遵循本指南中讨论的原则和提供的零件创建和实施要求。由于复合材料行业的各种最佳实践，本设计指南的偏差可由个人用户的专业知识自行决定。

应用程序概述

FDM®（熔融沉积建模）正成为低成本快速生产低体积工具和制造辅助工具的首选技术。FDM技术也可用于生产高温（>350°F[177°C]）、低体积的复合材料叠层和维修工具，以及高温（<350°F[170°C]]）生产牺牲工具。

相对于传统的工具材料和方法，FDM在交付周期、工具成本和简化工具设计、制造和使用方面具有显著优势，同时能够增加功能和几何复杂性。本设计指南侧重于手动上篮工具，但绝大多数原则和指南适用于其他以及处理方法。

以下是生产FDM叠层工具的流程概述。有关流程中每个步骤的更多细节将在参考章节中提供。

背景和目的

高性能纤维增强聚合物基复合材料结构的传统制造方法需要硬加工模具或心轴，以控制最终零件的表面轮廓。这些工具通常由金属（铝、钢或因瓦合金）制成合金），尽管也使用诸如高温工具板和专用复合工具材料之类的非金属材料。无论材料如何，工具制造通常需要大量的劳动力和机械加工，这导致高成本、材料浪费、，相对简单的形状需要数周的较长交付周期，而更复杂的工具需要数月的交付周期。

相比之下，FDM技术已经证明复合材料工具的成本和交付周期显著降低，同时提供许多其他优点，如设计自由和快速迭代，而不考虑零件的复杂性。已经成功多年来一直用于低体积复合材料叠层和维修工具应用。然而，由于缺乏材料，它的使用受到限制能够达到航空航天和类似高性能结构所需的350°F（177°C）固化温度，并且不存在设计知识和指导。

复合材料工具的FDM 2.0

关于材料限制，FDM ABS-M30/ASA、聚碳酸酯（PC）和ULTEM™ 9085树脂的有效温度分别高达180°F（82°C）、270°F（132°C）和300°F（149°C）。随着ULTEM 1010树脂的引入，FDM技术在制造在超过350°F（177°C）的温度和100 psig（690 kPa）的压力下固化的复合材料结构方面表现出了许多优势。

本设计指南提供了3D打印复合材料工具的设计、制造和准备的最佳实践，以及相关的性能表征数据。

注：尽管适用于其他材料和切片高度，但本指南中提供的数据和建议基于使用0.020英寸切片高度的ULTEM 1010树脂制造的工具，除非另有说明。

FDM对复合材料工装的好处

•将交付周期从几个月缩短到几天

•将工具成本降低50%以上

•实现经济高效的复合材料零件原型设计

•通过增加功能简化工具设计和制造

•耐高温高压釜和烘箱固化循环【>350°F（177°C），100 psig（690 kPa）】

•为复杂、受困的工具应用提供低麻烦的牺牲和清洗解决方案

•允许无故障的设计更改和迭代

•将工具质量减少80%以上（特别是相对于金属工具）

应用程序最佳匹配

此应用程序最适用于以下条件：

•所需的搁置和维修工具需要几天，而不是几个月

•牺牲工具在中等温度下固化【<350°F（177°C）】

•零件体积相对较低（10s–100s与1000s）

•工具尺寸适合Fortus 900mc的建造体积™ 3D打印机，尽管分段工具也已成功演示

•可以调整刀具几何形状，以补偿热膨胀或受益于更高的CTE材料（例如，用于增加帘布层固结的外芯轴）

设计指南目标

本设计指南主要旨在提供：

•FDM技术概述

•相关材料的关键财产和特性

•复合材料工具的优势和关键考虑因素

•叠层工具的设计、施工和优化的最佳实践

•文件准备、加工和制造的最佳实践

•后处理搁置工具的最佳实践（准备和密封）

•用例示例

•工具寿命和特性数据

•牺牲工具介绍

设计指南方法

本指南分为几个关键部分，为高效、成功地生产、准备和使用FDM复合材料叠层工具（以下简称“FDM复合工具”）提供了必要的信息。它提供了技术信息、材料财产和测试数据，以证明FDM复合工装的性能。Stratasys与来自航空航天、汽车、体育用品和学术界的行业领导者和工具专家合作，对性能进行表征和验证。提供了这些协作开发工作的关键用例和示例，尽管为了保护专有信息，合作伙伴身份往往被隐藏。

Aurora飞行科学公司（AFS）和Abaris培训公司是两个关键合作伙伴。AFS是航空和航空研究领域公认的领导者，专门从事专用飞机的设计和制造。在多个载人和无人飞机结构的开发和生产过程中，AFS与Stratasys合作，为复合工具和辅助工具（夹具、夹具、装饰工具等）以及飞离零件实施FDM。Stratasys还与世界知名的高级复合材料培训领导者Abaris Training密切合作，提供额外的技术投入、工具评估和FDM复合材料工具培训课程的开发。

FDM概述

FDM是Stratasys获得专利的增材制造技术，通过加热和挤出热塑性长丝逐层制造零件。FDM使用标准、工程级和高性能构建热塑性塑料。

FDM过程从使用Insight处理CAD文件开始™ 3D打印机附带的软件。该软件允许用户选择构建的所有参数，从切片高度到零件方向，提供完整的零件定制功能。FDM机器能够连续分配两种材料：构成最终零件的主要模型材料和根据需要用于防止悬垂区域坍塌的次要支撑材料。由于Stratasys FDM支持该材料本身设计为具有牺牲性且易于拆卸，是一种实用的材料，可用于生产一次性的牺牲性叠层工具。第7节提供了更多关于牺牲搁置工具的信息。

FDM细丝被缠绕到罐中，罐将材料通过系统输送到挤出喷嘴或“成型尖端”。成型尖端由液化器加热，熔化材料，同时将其沉积在温度控制室的两个主水平轴（x，y）上，遵循数控刀具路径。每层完成后，构建平台垂直移动（z方向），为下一层在上面沉积腾出空间。

图1-1：FDM打印机的主要组件。

主要设计注意事项

正如传统叠层工装的设计和施工方面因所用材料的不同而不同一样，FDM复合工装的有效设计和使用也取决于这些考虑因素：

•固化温度

•CTE

•精度和公差要求

•工艺参数（固结压力和真空装袋

方法）

•工具准备（密封）

•预期用途（工具寿命）

固化温度

复合材料结构的固化温度是FDM材料选择的一个重要因素。FDM材料能够覆盖广泛的固化温度范围，如下一页图1-2所示。

如图1-2所示，ULTEM 1010树脂具有相关FDM材料中最高的温度能力。它还具有最低的CTE，使其成为大多数复合材料工具应用的首选。虽然由PC和ULTEM 9085树脂制成的工具可以承受250°F（121°C）固化材料系统的固化循环，但ULTEM 1010树脂仍然是将膨胀影响降至最低的最合适选择。其他材料财产见第2节。

图1-2：FDM工具材料的近似固化温度能力。

热膨胀系数

CTE是几乎所有复合材料叠层工具的一个重要考虑因素，因为它会影响复合材料结构的最终物理形状。表1-1列出了相关FDM材料以及常见常规工具材料的CTE。由于FDM材料的CTE相对较高，这是工具设计过程中的一个重要考虑因素。工具设计可以而且通常应该进行修改，以补偿与高温下的热膨胀相关的尺寸变化。第3节提供了此类调整的示例。除了几何补偿外，CTE

工具和零件材料之间的差异也是影响工具类型（公工具和母工具）和潜在复杂性的因素。对于公工具，简单地调整工具的尺寸以补偿增长通常就足够了。对于一些应用，例如用于缠绕/包裹的心轴，CTE可以有利地用于改善帘布层的固结并简化心轴的移除。对于内螺纹工具，特别是那些轮廓陡峭、吃水深度较深的工具，需要格外小心，以确保零件能够安全地从工具上移除，而不会造成损坏，并管理施加在由此产生的零件上的残余应力。第6节提供了成功使用男性和女性工具的更深入的例子。

有关如何修改工具设计以补偿CTE影响的详细信息，请参阅第3节中的CTE补偿。提供了用于计算比例因子以修改工具几何形状的细节。

精度和公差

FDM能够生产精度为±0.0035英寸（0.09mm）或±0.0015英寸/英寸（0.0015毫米/毫米）的工具，以较大者为准。请注意，所有精度都取决于几何形状，主要是由于工艺的热性质。有关机器精度的更多信息，请访问www.stratasys.com（包括有关该主题的白皮书）。为编制本指南，编制了各种代表的准确度数据热循环前后的几何形状。参见第5节其他数据和详细信息。

对于需要比直接从FDM 3D打印机实现的精度更高的精度的复合工具，结合脱脂涂层机加工是一个可行的选择。设计第3节“近净形状工装的设计建议”中列出了机加工建议的建议和初步数据。关于这个主题的其他开发工作正在进行中，并将在后续的设计指南版本中提供。

工艺参数

制造工艺和固化周期参数，特别是固化压力和真空装袋方法，影响FDM复合材料工具的设计和风格。它们通常被分类为shell样式或稀疏样式工具。（参见下面的图1-3。）第3节提供了更多信息。

图1-3：无人机风扇叶片工具，显示了外壳和稀疏工具的示例。

外壳式工具适用于大多数应用，能够承受100+磅/平方英寸（690+千帕）的高压釜压力，有利于表面和外壳真空装袋方法。对于许多几何形状，它们是最具成本效益的设计，因为它们最大限度地减少了材料使用和建造时间。稀疏型工具往往具有更大的整体刚性；一些几何形状需要使用它们。这将在第3节和第6节中详细说明。稀疏工具也可以是表面袋装或信封袋装。然而，当信封如果使用装袋，请遵循第3节中关于施工参数的指南，以避免损坏工具。

工具准备

FDM工艺由于挤出材料珠粒的物理限制而固有地产生一定程度的内部孔隙率，如图1-4所示，图1-4显示了示例构建层的刀具路径横截面和挤出珠粒轮廓的横截面。该过程还产生可感知的构建层，这些构建层根据零件的形状和层厚度（切片高度）而变化。因此，为了确保高质量的表面光洁度和真空完整性，通常需要对FDM工具进行后处理。

图1-4：示例刀具路径的顶视图（左）和焊道轮廓的横截面（右），显示了FDM零件的固有孔隙率。

工具被磨损，以平滑可察觉的构建线，并被密封。然后对它们进行最后的抛光处理，使表面光洁度符合典型的行业要求。尽管各行业的要求有所不同，但通常认为64µ英寸（1.6µm）Ra的光洁度是可以接受的。使用附录B中提供的标准程序，FDM复合材料工具可以始终获得比16µ英寸（0.4µm）Ra更光滑的光洁度。根据具体应用，可以使用一系列材料进行密封。迄今为止，最常用的材料是高温的、由两部分组成的环氧树脂粘合剂。环氧树脂薄膜

粘合剂、粘合剂背衬的FEP膜和类似产品也已被成功使用，并且根据特定用途的要求具有明显的优点，例如易于应用。第4节提供了迄今为止评估的其他信息和具体产品。一旦零件被密封，就可以使用普通脱模剂为复合材料零件的叠层做准备。建议使用水基脱模剂。

预期使用和工具寿命

FDM复合材料工具成功设计和使用的最终考虑因素是了解该工具的预期应用。应用往往会推动材料选择（例如，固化温度要求）和整体设计，并将其纳入工具结构和密封方法中（即，工具是包络还是表面袋装，固结压力是多少？）。评估预期的工具寿命也很重要，该寿命由工具将经历的固化循环次数决定。可以构建用于少数原型复合材料零件的工具，以最大限度地降低成本。用于即将到来的、计划关键的复合修复的工具可以进行优化，以获得快速的构建时间。而用于长期生产和更高零件量的工具几乎需要在所有方面进行更严格的审查。

FDM复合工具的大多数用途是用于相对较低的零件体积（<25个零件）。然而，在本指南的开发过程中，开始了工具寿命表征测试，结果数据表明，FDM复合材料工具能够实现更长的工具寿命——数百次循环。详见第5节。额外的工具寿命评估正在进行中，结果将在后续的设计指南发布中提供。

第2节-FDM材料

FDM技术生产各种高性能热塑性材料的工具。每种材料都有其优点和局限性，在复合材料零件制造中必须加以考虑才能有效使用。应用要求将指导材料选择。作为一般指南，ULTEM 1010树脂是几乎所有叠层工具（模具和心轴）的推荐材料，ABS或ASA对于辅助工具（修整工具、夹具、钻杆导轨等）以及低温母材都非常有效。FDM零件的财产将是各向异性的，这主要是由于构建过程的性质。各向异性倾向于影响力学财产；热财产（如CTE）也受到影响，尽管影响程度较小。例如

ULTEM 1010树脂的“流动”（平行于挤出的珠粒）和“交叉流动”（垂直于挤出的珠子）之间的CTE小于4%。

本指南关于FDM材料的主要作用是帮助选择并提供能力感。所有Stratasys材料的其他信息和数据可在www.Stratasys.com上找到。下表2-1提供了与复合材料模具应用最相关的FDM材料指南。

表2-1*-表示不可用的数据。

第3节-工具设计和施工

设计注意事项和影响

与传统制造的工具相比，FDM复合工具的优点在于，FDM工具可以具有复杂、高功能的设计，而不会牺牲成本或交付周期。FDM工具的设计过程主要由最终复合材料零件的工艺参数（固化周期、压力、装袋方法等）驱动。通常，在本指南中，工具设计分为两种主要类型：外壳和稀疏。外壳工具是一种相对简单的方法，它提供了工具的叠层表面，延伸到零件边缘（EOP）之外，以一定的厚度构建，以在最少使用外来材料的情况下提供稳定性。类似地，稀疏工具使用shell工具的基础，但使用稀疏的双密集（或类似的填充）光栅图案来增强它。FDM复合工具并不局限于这两种风格——设计可以根据应用程序的需要进行复杂、简单或功能导向。以下小节中的设计旨在演示了FDM复合工具设计和生产的两种基本风格。

注：本设计指南中的稀疏结构是指Insight软件中的稀疏双密和六边形填充模式。Insight中的可用模式简称为“稀疏”（请参阅附录C中的定义），它只在一个方向上提供光栅填充，不建议用于复合工具应用。

图3-1：无人机风扇叶片的稀疏型和外壳型工具。

外壳样式工具

壳式工具通过使用最少的材料，在不牺牲工具性能或最终零件质量的情况下，展示了FDM的优势。在许多情况下，只需要3D打印实际的铺设表面（延伸到EOP之外，为多余的材料提供空间），不需要复杂的支撑结构或背衬。这种工具的厚度可以变化，但经验数据表明，0.3英寸（7.6毫米）提供了工具刚度和材料消耗之间的平衡。这种类型的工具可以是包络或表面袋装，但为了简单和减少真空泄漏的可能性，建议在可行的情况下使用包络袋装。这种类型的工具可以承受超过100磅/平方英寸（689千帕）的高压釜压力。

稀疏样式工具

尽管外壳往往会降低成本和建造时间，但某些设计可能需要额外的刚度，尤其是对于大型和/或多节段工具。稀疏工具包含光栅填充图案，以增加强度和刚度。这种设计可以是包络装袋或表面装袋，但表面装袋最常见的是，如果光栅间距不够密集，可以消除任何破碎的可能性。

表3-1提供了使用包络装袋方法时稀疏工具相对于固结压力的光栅间距或密度的一般设计指南。应注意的是，表中的指导方针适用于默认的稀疏双密和六边形填充图案，以及仅具有0.020英寸（0.508毫米）切片高度的ULTEM 1010树脂。其他图案（例如六边形和自定义填充）和材料将遵循类似的指导方针，但性能尚待验证。结果也可能有所不同

基于特定的工具几何形状。

实验确定，壁厚（即轮廓的数量）对结果的影响最小——这意味着，增加壁厚并不能显著提高性能。支持表3-1中指导的结果是针对0.1英寸（2.5毫米）的壁厚。试样的几何形状如图3-2所示。

为了支持表3-1中的指南进行测试，图3-2中所示的试样的壁厚从0.1英寸到0.3英寸（2.5毫米到7.6毫米）不等，稀疏光栅间距从1.0英寸（25.4毫米）到小于0.08英寸（2.03毫米）不等。没有显示间距为1.0英寸（25.4 mm）的稀疏双密实试片的结果，因为即使在最低固结压力下，它们也会发生损坏/压碎。所有试样均在350°F（177°C）温度下进行测试。

表3-1还提供了关于每个填充图案配置的相对材料使用的信息，以阐明相对工具成本。例如，具有0.25英寸（6.35毫米）稀疏双密集光栅间距的工具的成本将比具有0.5英寸（12.7毫米）光栅间距的相同工具高出约30%，并且比1.0英寸（25.4毫米）六边形间距高出40%。尽管不包括构建时间，但它通常以略低于相同速率的速率进行扩展，因此保守的相对成本计算对于粗略的数量级比较仍然有效。

表3-1*相对材料用量是指与0.5英寸（12.7 mm）稀疏双密间距的等效几何形状相比的材料用量**在固化循环期间，将袋子排放到大气中。

图3-2：用于包络袋装稀疏型工具ULTEM 1010树脂结构完整性测试的试样。左图显示0.5英寸（12.7毫米）的稀疏双密集光栅间距。右图显示1.0英寸（25.4毫米）的六边形光栅间距

工具构建方向

FDM机器中刀具的方向是一个重要的考虑因素，因为它会影响构建时间、所需的支撑材料数量、产生的表面质量（阶梯式）以及整体性能（由于财产的各向异性）。在工具的初始设计期间而不是之后考虑构建方向是很有价值的，因为在这个阶段所做的选择在构建方向中发挥作用，从而影响工具的最终性能和成本。

通常，建议将工具的叠层表面定向为以“垂直”方向打印（参见图3-3至3-5），这在最大限度地减少楼梯台阶、支撑材料使用和建造时间方面是最有效的，所有这些都会直接影响工具的成本。如果工具具有多个高度轮廓化的表面，则应努力确定工具的方向，使表面的大部分呈现最少的阶梯。以下示例显示了生成FDM工具的主要方向。所描述的取向并不是唯一可以使用的取向，而是旨在提供参考以显示每种取向的优点和缺点。

平面构建方向：如下图所示，“平面”方向往往是最不可取的，因为它通常有最多的楼梯台阶，需要最多的支撑材料。因此，在这种方向上构建的工具将需要更长的后期处理时间，并且由于所需的支撑材料而具有更高的成本。

图3-3：“扁平”构建方向。

次优垂直构建方向：尽管图3-4中的工具处于“垂直”构建方向，但它不是理想的方向这种方向将有效地减少楼梯踏步；然而，需要大量的支撑材料来支撑工具的“腿”，这会增加构建时间和成本。

图3-4：次优“垂直-A”构建方向。

最佳垂直构建方向：图3-5（垂直-B）所示的垂直构建方向是首选的，因为它将有助于最大限度地减少楼梯台阶，同时节省支撑材料。因此，以这种方向构建的工具将需要更少的构建时间和后期处理时间，以及材料成本。

图3-5：最佳“垂直B”构建方向。

表3-2说明了构建方向对给定工具的构建时间、材料使用和表面质量的影响。正如预期的那样无论方向如何，构建工具所需的模型材料量基本相同。对构建时间的影响相当大重要的是，构建未优化定向的工具可能需要两倍的时间。最后，支撑材料的差异由于最佳取向使用的量几乎可以忽略不计（<1立方英寸），因此对于该特定示例而言消耗是显著的。

CTE补偿

如前所述，从工具设计开始就考虑CTE的影响是很重要的。工具的尺寸变化可以使用以下方程计算，也可以使用比例因子来修改工具的几何形状，以补偿高温下的膨胀。比例因子用于调整最大固化温度Tcure下的工具膨胀。初始或起始温度Tinitial通常为室温。 variables ∝tool and ∝part represent the CTE of tool and part, respectively.

将一除以一加上膨胀系数将提供比例系数，通过该比例系数，需要调整工具以生产具有适当最终尺寸、形状和尺寸的复合材料零件。

为了证明这一点，假设ULTEM 1010树脂工具将经过350°F的固化循环。缩放因子的计算如下所示。

这意味着工具的长度（在350°F、177°C下）将每英寸扩展0.00686英寸（0.00686 mm/mm），工具需要按0.993149的因子缩放，以补偿尺寸变化，并生产具有适当最终几何形状的复合零件。

缩放工具的确切方法或步骤会因所使用的CAD软件而异，但对于SOLIDWORKS，请选择：InsertàFeaturesàScaleà输入适当的缩放因子

图3-6：SOLIDWORKS中的模型缩放菜单。

FDM组合工具的设计技巧：

以下是FDM工具成本效益设计的一般提示。

1.为了使成本最小化，希望打印尽可能少的材料。在许多情况下，这意味着使用外壳式工具主要捕获零件的叠层表面，而不需要任何精细的支撑结构。

2.使用自支撑角度（参见附录C），以尽量减少所需支撑材料的数量。悬挑特征需要支撑材料，这增加了所需材料的数量和构建时间。

3.确定工具的方向，使叠层表面以垂直方向打印。此方向通常会产生最佳曲面通过减少台阶来完成。请参见工具构建方向（第3节）以获取参考。

FDM复合材料刀具的设计与改进

以下小节包含有关如何设计、修改和优化阳性和阴性外壳和稀疏样式工具的信息。它也是

建议调整最终设计几何形状，以补偿先前详述的热膨胀（参考先前CTE补偿小节中确定刀具比例因子的程序）

设计指南

FDM CompositeTools的设计与改进

以下小节包含有关如何设计、修改和优化阳性和阴性外壳和稀疏样式工具的信息。还建议调整最终设计几何形状，以补偿先前详细说明的热膨胀（参考确定程序上一个CTE补偿小节中的工具缩放因子）。

外螺纹壳体工具设计

1.从所需复合材料零件的形状（模型）开始，因为这将建立零件的叠层表面、EOP和修剪区域（图3-7）。

2.通过延伸EOP外部的表面来创建零件的修剪区域（图3-8）。

3.将工具表面加厚至0.3英寸（7.6毫米）（建议用于大多数工具）。厚度可根据具体工具的需要进行调整配置和应用要求（图3-9）。

4.增加稳定功能，如支腿，允许工具在上篮过程中平放在桌子上。或者，可以打印一个低温支架而不是支腿，以在上篮过程中支撑外壳工具。加强功能如果需要，也可以添加。还可以包含工具编号等识别特征（图3-10）。

5.在拐角处添加圆角，以减少应力集中并提高坚固性（图3-11）。

6.使尖角和边缘变圆，以防止真空装袋材料刺穿，特别是在信封装袋时。圆角半径为0.1-0.5英寸（2.5-12.7毫米）通常就足够了（图3-12）。

现在可以使用Insight来准备工具路径。如前所述，建议在图3-13所示的垂直方向上构建工具，以获得最佳的表面光洁度和最少的支撑材料消耗。

外壳工具将具有至少三个轮廓的实心填充光栅图案，如图3-14所示

稀疏型刀具设计

稀疏工具的一般设计过程与外壳工具的设计过程相似，主要例外是工具腔（如图3-15中的箭头所示）将用稀疏构建结构填充（填充密度或光栅间距和填充样式可根据应用的固结压力要求而变化；一般指南见表3-1）。仍然建议对锐角和边缘进行圆角处理，特别是在将工具装入信封的情况下。还建议稀疏型工具设计有通风通道，以便在高温固化过程中加热和膨胀时，工具内的空气排出。这可以通过多种方式实现，从一端开口到设计小的通风孔。

图3-15：稀疏型工具（箭头所示的空腔）。

仍然建议在垂直方向上构建本例中的工具如图3-16所示的方向，以产生最佳的表面光洁度（尽量减少台阶）。设计还应使用至少三个轮廓（如图3-17所示）。请注意，结构完整性测试基于0.1英寸的壁厚。工具的内部应使用六边形或稀疏双密集填充图案。这些填充模式提供了性能、构建时间和材料使用之间的平衡。单元格大小可以根据工具将受到的固结力的应用和大小而变化，如表3-1所示。

深内壳式工具设计

尽管FDM材料的相对较高的CTE甚至更高对内螺纹工具的重要考虑（由于固化后可能将零件锁定在工具中），尤其是那些具有深壁和最小尺寸的内螺纹工具草案，有效使用3D打印的女性工具仍然是可行的。内壳工具的设计过程类似于外壳工具，并从所需的零件几何形状和EOP定义开始。

图3-18：复合材料零件示例。

拔模角和图形的使用将有助于零件提取，并且应尽可能将其纳入设计中。

1、加厚刀具表面。建议厚度为0.3英寸（7.6毫米）。此外，将刀具放置表面延伸到EOP为多余材料和装袋提供空间。

图3-19：加厚刀具表面。

2、如有必要，结合图形，以帮助零件脱模（即，图形将在EOP外部提供一个区域，以便在从工具上拆卸零件时夹紧或施加杠杆作用）。

图3-20：将图形添加到顶部工具表面。

4、通过在工具周围添加0.1-0.5英寸（2.5-12.7毫米）的圆角或倒角来去除尖锐的边和角。

图3-21：刀具拐角和边缘的圆角。

与阳壳工具类似，阴壳工具也有一个至少有三个轮廓的实心填充光栅图案。建议以平面方向打印此特定示例工具设计，即使沿半径会有一定程度的阶梯。使用这种方向是因为它最大限度地减少了支撑材料的使用和建造时间，提供了建造考虑因素（即表面光洁度、材料消耗和建造时间）的最佳折衷。

图3-22：该工具的推荐构建方向。

尽管在该方向上法兰突出部分需要相当数量的支撑材料，但仍低于其他潜在方向上所需的支撑材料。下图显示了该工具的横截面，红色箭头指示将具有最明显阶梯的区域，蓝色箭头指示需要支撑材料的区域。或者，可以在法兰外部添加45度倒角，以消除对支撑材料的需求，如图3-24所示。

图3-23：工具设计的横截面图，红色箭头指示预期楼梯台阶区域，蓝色箭头指示箭头指示具有所需支撑材料的区域。

图3-24：工具设计的横截面图，包括自支撑角度，以消除对支撑材料的需求。蓝色箭头表示自支撑角度。

雌性稀疏型工具设计

稀疏设计的深拔模内螺纹工具与传统金属工具的设计最为相似。这种类型的设计通常不是优选的，因为它需要比壳体阴工具更多的材料，并且没有提供显著的优点。这样的设计将是非常刚性的，但外壳式的等效物也提供了足够的固有刚性。然而，对于更简单的零件横截面，例如机翼前缘的U形，可能需要使用稀疏样式（或其他加强特征）来提高工具刚度，该方法如下所述。

1.首先在远离定义复合零件的表面的方向上挤出叠层表面。通过在工具周围添加0.1-0.5英寸（2.5-12.7毫米）的圆角或倒角来去除尖锐的边角（图3-25）。

2.使用Insight处理文件，并使用至少有3个轮廓的稀疏双密集或六边形填充图案。填料密度（光栅间距）应遵循表3-1中提供的指南（当信封装袋时；当表面装袋时不需要）（图3-26）。

图3-26：稀疏双密集填充刀具路径的俯视图

FDM现有刀具设计的修改

在许多情况下，现有的工具设计（用于机械加工）将可用，并将被考虑用于3D打印。尽管这通常不能提供对于FDM工艺最优的设计，但是可以相对容易地修改这样的设计以更好地适应FDM。对于这种方法，应去除修剪/划线（以及类似的精细特征），因为它们通常打印不好，并且可能在打磨和密封过程中被去除。有关更多详细信息，请参阅本章后面的“划线”部分。或者，可以打印单独的修剪工具（或类似的加工助剂），以将层压板精确修剪到正确的EOP定义。此外，如图3-27所示，由于生产孔、销和热电偶端口所需的额外支撑材料，以及此类FDM特征通常具有显著不同的设计，因此应移除或重新设计（如本文所述）。

图3-27：通常必须为FDM移除或重新设计的工具特征。

在许多情况下，现有的工具设计包含可以移除的多余材料，这将减少材料消耗、构建时间和成本。下图3-28中的箭头显示了可能存在多余材料的区域在不影响性能的情况下从工具中移除。

图3-28：传统工具设计中可以去除的多余材料。

划线

几乎所有的复合材料零件都是超大尺寸生产的，并通过二次加工修整到合适的尺寸。为了有助于这一过程，在传统的复合材料工具中添加精细的凹槽或“划线”，以在复合材料零件上进行标记，并在二次操作中提供跟随或拾取的功能。无论当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）的划线都不会可靠地显示在FDM工具中。因此，不建议使用它们。代替印刷的划线，

可以考虑使用印刷装饰固定装置（例如以下部分显示了建议）或打印指南并在密封操作之后手动划线工具。

在不同的切片高度和打印方向上对划线几何结构进行了简单的研究，以确定用户的通用指南。使用宽度为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形和半圆形划线创建几何体，如图3-29所示。图3-29和3-30显示了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）的各种打印方向。图像显示划线高度依赖于方向和切片高度。更精细的切片高度可提高划线分辨率。

然而，即使在0.007英寸（0.178毫米）的切片上，划线也取决于方向，并且必须比传统划线几何结构大得多（0.030-0.040英寸，0.762-1.016毫米）。

图3-29：划线试件视图

图3-30：在不同方向（垂直、水平、45°）打印0.020英寸（0.508 mm）切片高度的试样视图。

图3-31：在不同方向（垂直、水平、45°）打印0.007英寸（0.178mm）切片高度的试样视图。

修整工具、钻头导向器和类似辅助工具的设计

到目前为止，本设计指南的重点一直是复合材料叠层工具，但FDM技术也被证明对辅助工具的创建是稳健的。工具，如修剪和钻孔夹具、组装辅助工具、检查夹具和其他类似工具，通常可以设计为快速且廉价地打印，并且与叠层工具不同，通常可以用任何材料打印，并且不需要打磨或密封。还可以在需要时结合诸如衬套和插件之类的硬件。

以下程序提供了示例。首先将工具表面偏移0.005英寸（0.127毫米），以提供足够的间隙并提高可用性。

图3-32：复合材料零件示例

图3-33：从复合零件上偏移修剪工具表面

2、将所得表面加厚0.2英寸（5.1毫米）（建议），并封闭以形成固体。

图3-34：修整工具表面加厚。

3、钻孔导向器可以作为一个单独的工具创建，或者在许多情况下，如图3-35所示，将其合并到修整工具中。工具可以用单个轮廓和实心光栅填充图案打印。

图3-35：添加了钻导特征的修边轮廓。

内部功能设计和修改

内部特征，如工具内的孔或热电偶端口，应包含自支撑角度（与结构的夹角>45°台板），以消除对额外支撑材料的需要。图3-36中的示例和图3-37显示圆形和矩形孔和空腔如何需要支撑材料，而使用自支撑角度的形状不要。

图3-36：FDM零件的内部特征示例。

图3-37：在需要的地方显示了带有支撑材料的内部特征示例。

除了需要支撑材料外，水平孔（相对于X-Y结构平面）将由于阶梯而具有较差的分辨率。解决问题的最佳方法这是为了设计和打印一个尺寸较小的菱形导向孔或在二次操作中铰削至最终尺寸。

外部特征设计和修改

外部特征，如导销，需要与内部特征所述的相同的自支撑构建角度，但对于两个水平轴（参见图3-39）。图3-40和3-41中的示例显示了各种形状及其相应数量的所需支撑材料。

通过在X轴和Y轴上添加自支撑角度，如图所示如图3-41所示，可以在没有支撑材料的情况下生产销。

图3-41：导轨特征设计为在两个水平轴上具有自支撑角度，因此不需要支撑布料

局部钢筋或可变密度（插入件，机械加工、衬套）

在许多工具设计中，都希望结合局部增强或可变密度区域。局部加固最常见的两种需求是在衬套/插入件周围添加材料，以及为接近净形状的工具进行脱脂涂层加工。以下部分将讨论将局部钢筋用于机加工和嵌入的方法。

近净形状工具的设计建议

如果FDM打印机的公差超过所需复合工具的要求，用户可以打印稍大尺寸的叠层工具（带有额外材料叠层表面），并用机器将工具加工至最终尺寸。建议为加工面增加0.04-0.12英寸（1.02-3.05毫米）的厚度。请注意，较厚的加工面使用更多的材料，这将增加打印时间、成本和浪费。

初步研究表明，ULTEM 1010树脂可以通过广泛的切削速度进行机械加工。因此，强烈建议打印测试优惠券，以根据您的特定需求和磨机设置拨入进给和速度。常见行业参考文献以及两个客户示例列出的进给率和速度如下：

常见行业参考：¾英寸高速钢立铣刀，切削深度为0.25英寸，速度为3240-5400英寸/分钟。

客户1：2英寸饰面机，主轴速度为900-950转/分，进给速度约为100英寸/分钟，用于简单的饰面操作。

客户2:3/4英寸立铣刀，主轴速度为12500转/分，初始粗道次进给速度为433英寸/分钟，1/2英寸球头铣刀，主轴转速为12500 rpm，精加工道次进给速率为244英寸/分钟。

有两种主要方法可以结合额外的材料进行机械加工或局部加固：

单体-该工具可以设计为一个单独的实体，并结合了额外的加工厚度，如图3-42所示。尽管从设计和文件准备的角度来看，这种方法更快、更容易，但它可能会导致更多的材料使用。这是因为在加工面所需的固体材料量（对于0.020英寸、0.508毫米的切片高度，额外的2-3个轮廓）将被添加到工具的整个外表面周围。

图3-42：工具设计渲染图（顶部），洞察工具路径视图显示了加工表面（底部）。

多主体（推荐方法）-或者，可以将刀具设计为最终规格，并将添加的加工面作为一个单独的主体，如图3-43所示。尽管从工作流的角度来看（设计和文件准备）更为复杂，但多主体方法通常会节省大量材料。这是因为添加的材料厚度仅应用于需要的地方，而不是应用于工具的整个外表面。

图3-43：显示工具主体、加工面和衬套塞的多个主体的工具设计效果图（顶部），洞察刀具路径视图仅显示加工表面的增加厚度（底部）。

多体设计和文件准备示例：通用整流罩此通用整流罩示例将显示设计和准备用于打印的多体复合材料工装文件的基本步骤。该示例从基本整流罩工具开始，该工具已针对增材制造进行了优化，利用了前几节中讨论的原理和技术，如图3-44所示。该工具将设计用于工具表面的脱脂涂层加工，还包括用于加工滚珠衬套的塞子。

图3-44：通用整流罩工具设计的CAD渲染图。

第一步是为加工面、每个衬套和/或工具内所需的任何其他局部增强或可变密度区域创建单独的实体。

加工面设计：根据所使用的CAD系统，工艺可能会有所不同，但使用SolidWorks的基本工作流程是

如下所示。

1.将临界表面（待加工区域）偏移到所需的加工厚度。

a.注：初步测试表明，加工面厚度在0.04英寸（1.02 mm）和0.12英寸（3.05 mm）之间通常是足够的。

2.将偏移曲面向工具方向加厚相同的距离，确保不会合并实体。

3.在Insight切片软件中创建一个参考几何体，以便正确对齐所有刀具部分。

a.注意：使参考几何图形在打印方向上略高于工具。图3-45显示了一个简单的挤压矩形作为参考几何图形。

图3-45：带有单独加工面和参考体的刀具本体视图

局部套管加固设计（可变密度）：CAD系统和设计方法/偏好将决定设计工作流程，但最终结果应该是批量工具中有一个带有相应塞子的空腔，如图3-46所示。尽管不需要，但建议将塞子和空腔凹陷至用于工具表面的轮廓数量的厚度（0.12英寸（3.05 mm），这是0.020英寸（0.508 mm）切片高度的三个轮廓。这将隐藏在两者交界处创建的接缝STL文件，从而获得更好的表面光洁度。此外，建议对型腔和pug的最内表面进行倒角，以最大限度地提高可打印性，如图3-46所示。

图3-46–显示了嵌入工具表面下方的塞子设计，带有45度倒角，便于打印。

创建单独的实体后，将具有不同构建参数（填充图案、密度等）的每个实体以及参考几何图元导出为单独的STL文件。在这种情况下，三个单独的将生成STL文件：批量工具和参考几何体；这个加工面和参考几何形状；以及衬套塞和参考几何形状。

创建STL文件后，在Insight中分别准备和切片每个STL。每个STL都应导入并定向，参考体应放置在同一位置，如图3-47所示。对STL进行切片并对层进行分组根据该工具部分的需要，并将其保存为作业，如图3-48所示。下面的列表为该工具的不同区域提供了基本的构建参数建议。

•套管和插入塞应牢固

•加工面应坚固，最好有轮廓，没有光栅

•工具主体应具有所需的填充图案和至少3个轮廓

准备好所有文件后，在Insight中打开刀具主体文件，并通过转到切片选项卡并选择组合切片曲线文件将加工面切片添加到刀具中，如图3-49所示。

图3-47：刀具本体、加工面和衬套STL文件的视图Insight中原点处的参考体。

图3-48：将文件保存为作业。

图3-49：Insight“切片”选项卡的视图。

在Combine slice curves（组合切片曲线）窗格（Insight程序的右侧）中，浏览到所需的切片文件，并确保将新文件与原点（0,0,0）对齐，如图3-50所示。选择“确定”并接受有关重叠曲线的任何警告。对套管塞切片文件和需要添加到工具部件的任何其他切片文件重复此过程。

图3-50：将切片曲线与原点。

将所有切片曲线组合到一个切片文件中，删除定义参考几何体的曲线。检查切片层以确保所有内容都正确对齐和分组。如有必要，添加固定销。

注：强烈建议在所有ULTEM 1010树脂工装结构中使用固定销。

生成支持和工具路径。检查生成的刀具路径是否有任何异常、错位等。图3-51显示了正确切割时面板、批量刀具和套管塞刀具路径的外观。车身之间不应有间隙，因为这将导致财产降低。如果一切都令人满意，请将文件另存为新名称下的作业。

图3-51：Insight文件视图，显示衬套塞、工具本体和加工面完全对齐，没有间隙。

套管/插入件精度和最佳实践

复合工具通常包括用于工具球的各种插入件，索引卡舌/引脚、夹具等。金属插件和硬件可以通过各种方法插入FDM零件和工具中，如热熔、压装和封装。为了获得插入硬件的最佳效果，请参阅Stratasys inserting hardware Post Build最佳实践指南。

与一家领先的公务机OEM合作进行了一项研究，以确定金属衬套的循环精度。创建了一个具有不同厚度的简单矩形几何体。在250°F（+/-10）（121°C+/-5.5）下进行八次热循环前后，将插入件热桩固定在几何结构中，并使用FARO臂扫描仪测量套管的位置。图3-52显示了几何结构的图像，表3-3显示了测量数据。这项简单的研究表明，衬套位置在八次循环后仍保持在其初始位置的0.007英寸（0.20毫米）以内。显示最大尺寸变化的方向（Y方向）是最长刀具路径的方向（单层内打印的方向）。图3-52中的X方向是层沉积的方向，在打印机中也称为构建方向或Z轴。

图3-52：热循环前的几何图形。左下角是测量原点。

工具分割和连接

对于大于FDM机器构建室的工具（例如，Fortus 900mc构建室为36英寸宽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种可行的方法。工具可以分段建造，尺寸适合建造室，并通过二次操作连接，如热焊接或结构粘接。为了有助于组装，接头特征可以很容易地结合到工具设计中，以确保正确的配合和对齐。建议使用大型机械接头，将零件对齐并以几何方式锁定在一起，以增加接头的结构完整性并简化装配过程。常见的

在大型工具应用中取得成功的装配接头包括榫槽、燕尾榫和锯齿形。将机械锁定件结合到接头设计中可以帮助组装和添加机械强度。不建议使用对接接头，因为它们的机械强度较差且缺乏自对准性。需要分段的工具示例如图3-53和3-54所示；第6节提供了这些具体案例的额外信息。

对于连接工具段，可以使用具有承受固化温度的适当能力的兼容结构粘合剂进行粘合。两部分环氧膏状粘合剂Hysol EA 9394已经成功演示，尽管许多其他材料也可以有效工作

或者，也可以使用热焊接方法。与金属焊接类似，热焊接包括使用熔化的热塑性材料熔化部件。尽管该工艺往往需要经验丰富的操作员才能正确执行，但其优点是，考虑到该工艺允许使用与FDM零件本身相同的热塑性材料，由此产生的接头将以与周围结构几乎相同的方式（机械和热）执行。

有多种类型的热焊机可供选择。挤压焊机将自行进给并在接头界面处施加一道材料，而热风焊机则需要手动进给材料。两者均可用于同时熔化进料和接头表面，以形成牢固的结合。附录a中提供了热风焊机的应用示例。

图3-53:Aurora Flight Sciences整流罩工具模型，分为七个部分（用不同的颜色标注）。

图3-54：六英尺直径的天线罩模具，利用具有单独蝶形锁定的大型嵌套和对齐功能在粘接和组装过程中将各部分固定在一起的接头

延伸阅读：

复合材料工具2.0的FDM设计指南（二）

复合材料工具2.0的FDM设计指南（三）