如何設計 3D 列印模型：實用設計準則

前言

多數 3D 列印失敗並不是從印表機開始，而是早在任何人嘗試列印前數天，就已經出現在 CAD 檔案中。您可以參閱推薦設計軟體指南，依專案類型瞭解適合的工具。

模型在螢幕上可能看起來完全正確，外形、表面及比例都沒有問題，卻仍可能無法列印。例如壁厚只有 0.3 mm，無法承受製程；水平特徵下方沒有任何結構可供堆疊；或兩個實體彼此重疊，視覺上看似完整，對切層軟體而言卻存在幾何歧義。這些不是列印問題，而是設計問題，印表機只是將它們顯現出來的工具。

為 3D 列印進行設計，與為視覺呈現建立模型是不同的專業領域。幾何形狀不僅要在視覺上成立，更要能實際製造。這表示設計人員必須瞭解目標製程、建立確實可製造的幾何形狀，並在設計階段做出關鍵決策，在第一層材料沉積前就決定列印能否成功。

本指南將聚焦於適用於 FDM、SLA、SLS、MJF 及金屬 3D 列印的設計原則，確保送印的檔案真正能夠製作。設計完成後，上傳至 JLC3DP，即可在正式生產前取得自動幾何檢查及即時報價。

推薦設計軟體指南則會介紹本指南所述設計原則之前的建模工作流程。

瞭解建模與設計之間的差異

這兩個詞經常互換使用，但在 3D 列印領域中，兩者代表不同活動，也具有不同的成功標準。

建模是建立外形，設計則是建立能依規格製造的幾何形狀。您可能花 20 分鐘建立外觀完美的物件，卻需要一週才能將它修正至可列印狀態；也可能用相同的 20 分鐘設計較簡單的物件，而且第一次列印就成功。

如果您希望學習建模流程，包括軟體選擇及建立可列印檔案，請參閱如何建立 3D 列印模型指南。本文則著重於讓模型真正可以列印的設計原則。

思維轉變是 3D 列印設計中最重要的部分。壁厚、特徵深度、懸垂角度及配合間隙等每項幾何決策，都會產生製造上的結果。所謂設計，就是主動做出這些決策，而不是等到列印時才發現其影響。

從一開始就考量列印製程

開始任何 3D 列印設計專案時，最實用的問題是：這個零件實際需要完成什麼工作？答案會決定設計重點，進而決定合適的製程及必須遵守的設計限制。

功能性零件

支架、治具、外殼或機械元件必須能在負載下正常運作。設計功能性 3D 列印零件時，應優先確保結構充足、壁厚足以承受負載、列印方向能使層與層的邊界避開主要受力方向，以及公差足以讓零件在組件中正常運作。表面品質是次要考量，正確的幾何形狀及尺寸才是重點。

功能性可列印 3D 模型通常採用 FDM、SLS、MJF、SLM 或 BJ。FDM 適合容易取得且成本較低的功能性零件；SLS 與 MJF 則能提供近似各向同性的機械性能，不易受到層向強度不足的影響。

外觀原型

外觀原型必須準確呈現外形及比例。它不需要承受結構負載，但可能需要細緻的表面品質、準確的整體尺寸及清晰的特徵。設計外觀原型時，表面品質及細節解析度會比結構因素更重要。

SLA 及其他樹脂製程適合製作外觀原型。精細層解析度及平滑的原始列印表面可減少後處理工作。設計重點是維持正確比例、讓特徵細節符合模型比例，並透過列印方向將品質最佳的表面放在最容易看見的位置。

量產零件

量產零件除了功能需求，也要具備一致性及材料性能。為量產用途設計 3D 列印物件時，必須依製程能力設計公差，也就是製程在自然變異下能夠穩定達成的公差，而不是它曾在最佳條件下單次達成的最嚴格規格。應依製程能可靠達成的能力設計，而不是理論極限。

設計真正可以列印的幾何形狀

這是建立有效 3D 列印檔案的核心。以下每項原則都針對一種特定故障模式，可避免列印失敗、尺寸不正確或需要過多後處理。

1維持最小壁厚

每種列印製程都有最小壁厚限制。低於此限制時，特徵可能完全無法列印，或列印後過於脆弱，無法承受搬運。每片薄壁、肋條、插銷及細小特徵，都應符合目標製程的最低要求。

JLC3DP 工程團隊建議採用下列最小壁厚，以提高製造可靠性：FDM 為 1.2 mm；SLA 為 0.8 mm，實際數值依樹脂及曝光設定而異；WJP 為 1.0 mm；SLS／MJF 為 1.0 mm；金屬 SLM／黏結劑噴射為 1.5 mm。這些建議可降低列印風險並提高零件成功率。各製程的詳細資訊請參閱3D 列印壁厚指南。

壁厚低於最低要求時，不一定會完全缺少特徵。有時薄壁仍能列印，卻會在移除支撐或搬運時斷裂。設計時應保留高於最低值的裕量，不要剛好壓在最低限制上。

2避免無支撐特徵

列印期間，每個水平表面下方都需要支撐。FDM 上一層必須有材料，才能支撐下一層；SLA 同樣會從成型平台逐層建立模型。SLS、MJF 及黏結劑噴射（BJ）則是例外，周圍尚未熔合的粉末可為任何幾何形狀提供天然支撐。

凸耳、凸片、水平插銷及凸緣等從側壁水平伸出，且下方沒有支撐的特徵，需要加入支撐材料、重新設計為可列印角度，或拆分成多個零件，再透過不同方向避免無支撐幾何形狀。

3減少大型懸垂結構

懸垂是指向模型外側延伸，且正下方沒有幾何結構的表面。在 FDM 列印中，懸垂角度超過距垂直方向約 45 度後，角度越大，列印品質就會逐漸下降，可能產生下垂、拉絲甚至完全失敗。達到 90 度，也就是完全水平且沒有支撐時，多數製程都無法準確製作該特徵。

設計懸垂時，應盡可能使用 45 度或更陡的角度，以倒角取代水平凸台，並將具有無法避免之水平特徵的零件拆分，使這些特徵改以垂直方向列印。確實需要支撐時，應確保列印後能接觸並移除支撐，而不是將它們埋在無法處理的內部幾何中。

4設計穩定底面

零件如果無法穩定放置於成型平台上，就無法準確列印。圓弧底面、尖銳底座及沒有平坦參考面的不規則外形，都會造成首層附著問題，並在整個列印過程中不斷放大。設計穩定底面的方法包括：增加足以讓零件穩定放置的平面、將最大平面設為自然列印方向，或直接在模型中設計底座（Raft），而不是依靠切層軟體自動加入。

針對公差及配合進行設計

為組件及配合零件設計可列印 3D 模型時，必須明確規劃公差。兩個具有相同標稱尺寸的零件列印後會互相干涉，因為 3D 列印會增加材料，而完全相同尺寸的兩個特徵會占用相同空間，無法互相配合。

活動零件之間的間隙

活動零件必須預先設計最小間隙。建議最小間隙為：FDM 0.5 mm、SLA 0.5 mm、MJF／SLS 0.6 mm、SLM／BJ 1.0 mm、WJP 1.5 mm。這些數值會因設備及材料而異，正式確定量產設計的間隙前，應使用實際製程進行測試。

卡扣配合

卡扣配合是 3D 列印設計準則中最受製程影響的特徵之一。卡扣的撓曲臂必須能彎曲並復位而不斷裂，因此長度要足以分散彎曲應變，厚度也要能承受變形。懸臂式卡扣可先以臂長約為臂厚 5 倍作為常見起點，再依材料特性及預期變形量調整最終幾何形狀。撓曲軸應配合能提供最高層間強度的列印層方向。

孔徑補償

FDM 列印的孔徑通常偏小，因為沿圓形路徑內側沉積的材料容易略微向內超出。依設備校正及噴嘴直徑而異，FDM 孔徑常出現約 ±0.4 mm 的偏差。需要精密配合時，可將孔徑設計得比標稱值大 0.1～0.2 mm，並在確定最終公差前製作測試件。樹脂及 SLS 製程的孔徑通常較準確，但仍應以實際使用的設備進行驗證。

收縮考量

金屬 3D 列印在燒結或冷卻期間會明顯收縮。金屬 SLM 零件可能因熱應力及殘留應力釋放而產生尺寸偏差，黏結劑噴射金屬零件在燒結期間則會收縮 10%～15%。CAD 軟體或列印服務的前處理流程會進行補償，但設計具有嚴格公差，或必須與其他零件精確配合的特徵時，設計人員仍須瞭解並納入這項影響。

透過更好的設計減少支撐結構

支撐結構會增加列印時間及材料用量，列印後需要移除，也經常在與零件接觸的位置留下表面痕跡。設計可減少支撐需求的 3D 列印檔案，不代表必須完全消除所有支撐，而是透過有計畫的幾何設計減少支撐位置，並確保無法避免的支撐容易接觸及移除。

拆分複雜模型

單一複雜模型若在多個方向都有懸垂，通常會在難以或無法乾淨移除的位置需要支撐。將模型拆分成兩個以上的簡單零件，使每個零件都能以最少支撐的方向列印，可減少支撐總量、改善原本支撐接觸面的表面品質，也經常能提升列印可靠性。

拆分後組裝是一種經常被忽略的設計策略。兩個列印後以黏合或卡扣組裝的簡單零件，通常比一個需要大量移除支撐及後處理的複雜零件更加實用。

使用倒角取代銳角

45 度倒角在多數 FDM 製程中可以自我支撐，90 度水平凸台則無法自我支撐。只要功能允許，就能以 45 度倒角取代水平突出物、凸台及突然向外延伸的階差，在不改變零件功能的情況下消除這些位置的支撐需求。

圓角的結構性能優於倒角，但不具備相同的自我支撐特性。即使曲面看起來較平緩，仍然屬於懸垂。因此若目標是減少支撐，倒角是更實用的工具。

最佳化列印方向

若要以最少支撐設計 3D 列印物件，列印方向通常是影響最大的單一決策。完成設計前，應從多種方向檢視模型，找出能讓最多表面位於可列印角度範圍內、使功能表面遠離成型平台以避免附著痕跡影響性能，並讓無法避免的懸垂位於容易移除支撐位置的方向。

如果幾何形狀無論採用哪種方向都需要支撐，單靠改變方向無法解決問題，此時就應拆分模型。

針對不同 3D 列印技術最佳化模型

以下設計建議依據 JLC3DP 的製造能力及工程準則。實際數值可能會因零件幾何形狀、材料選擇及生產需求而異。

針對 FDM 進行設計

在各種 3D 列印設計中，FDM 對製程條件最為敏感。列印層方向會造成方向性強度差異、支撐通常難以乾淨移除，而且孔徑精度需要補償。FDM 設計準則包括：壁厚應大於 1.2 mm、懸垂角度應低於 45 度或採用倒角、孔徑略微加大，並讓關鍵表面遠離成型平台。功能性 FDM 零件應調整方向，讓主要負載沿 X-Y 平面傳遞，而不是穿過 Z 軸的層間邊界。

針對 SLA 進行設計

SLA 可製作精細細節及平滑表面，但其成型方向與 FDM 相反，模型會從成型平台向下懸掛，並從樹脂槽中逐層剝離。支撐結構必不可少，而且會連接至成品實際的底面。SLA 模型設計應避免與成型平台平行的大型平面，因為剝離時產生的吸力可能使零件破裂；大型實心體積應採中空設計並加入排液孔；列印方向則應讓最顯眼或具有功能的表面取得最佳品質。

針對 SLS／MJF 進行設計

SLS 與 MJF 對可列印 3D 模型設計最為寬容，因為周圍尚未熔合的粉末會在成型過程中支撐每個特徵，不需要支撐結構，也沒有懸垂限制，設計自由度確實高於其他常見製程。仍需考量的限制包括：內部通道必須達到可清除粉末的最小尺寸，通道直徑通常至少為 1 mm，封閉空腔也要設置排粉孔；此外，表面會比 SLA 更具顆粒感，滑動接觸面可能需要後處理。

針對金屬 3D 列印（SLM／BJ）進行設計

金屬 3D 列印的設計準則是所有製程中要求最嚴格的。SLM（選擇性雷射熔融）使用高功率雷射熔合金屬粉末，懸垂需要支撐結構，但金屬支撐比聚合物支撐更難移除，通常還需要機械加工。SLM 設計應減少懸垂、確保支撐可以接觸並移除、使用圓角取代尖銳內角，因為金屬中的應力集中是結構問題，而不只是外觀問題，並採用大於 1 mm 的壁厚以獲得可靠品質。

黏結劑噴射（BJ）金屬列印在列印期間不進行雷射燒結，而是在完成生胚後放入爐中燒結，造成 10%～15% 的各向同性收縮。列印服務會套用縮放係數進行補償，但金屬 BJ 零件的嚴格公差通常仍需要在後處理階段對關鍵特徵進行機械加工。設計金屬 BJ 物件時，應在精密特徵上預留加工餘量、避免無法承受燒結收縮應力的細薄特徵，並參閱 JLC3DP CAD 設計指南瞭解製程專用要求。

準備及驗證檔案

檢查幾何形狀

模型不應有間隙、缺少面或未與相鄰表面連接的面，而且每條邊都必須正好由兩個面共用。匯出前，請在建模軟體或專用網格修復工具中執行幾何分析。

修正非流形錯誤

非流形幾何是指一條邊由兩個以上的面共用，或網格拓撲在頂點處存在歧義，這會使切層演算法無法正常運作。修正時應找出幾何形狀重疊卻未合併的位置、表面共用一條邊但頂點之間存在間隙的位置，以及布林運算留下的幾何殘留。多數網格修復工具可以自動修正簡單的非流形錯誤，複雜情況則需要手動修正幾何形狀。

確認比例及單位

請以毫米為單位匯出，並在匯入切層軟體後確認尺寸。軟體使用的單位不會傳入 STL 檔案；如果模型以英吋建立，匯出 STL 時卻未轉換單位，模型進入切層軟體後會成為預期尺寸的 25.4 倍。送印前至少應在切層軟體中確認一項尺寸。各軟體的匯出設定請參閱 STL 檔案產生指南。

匯出 STL、OBJ 或 3MF

STL 是接受度最廣泛的格式。3MF 可儲存色彩及列印設定資料，適合多色模型；STL 則是單色模型的通用格式。OBJ 常用於雕刻軟體建立的有機網格模型。上傳量產檔案時，採用精細網格解析度的 STL，弦高公差 0.01～0.02 mm、角度公差 1～2 度，即可滿足多數需求，而且不會產生不必要的龐大檔案。

常見設計錯誤

可列印 3D 模型設計常見問題

結論：設計可直接列印的 3D 模型

針對 3D 列印進行設計，代表從第一張草圖開始就以製程角度思考：瞭解零件需要完成的工作、選擇合適的技術，並建立符合壁厚、懸垂、公差及列印方向要求的幾何形狀。驗證檔案、確認比例，並以正確解析度匯出。只要正確完成這些設計決策，無論模型是在內部列印，還是上傳至 JLC3DP 等服務，都能可靠製造，而不會在逐層列印時才暴露隱藏問題。