Lei Feng Fab Academy 2025第5周个人作业：3D打印硅藻结构
本周作业的要求之一，是“设计并 3D 打印一个小物体（几立方厘米，考虑打印时间限制），该物体无法通过减材制造完成，如内部空腔结构。”
在思考打印对象的时候，过去曾经看过的硅藻的画面就闪现在脑海中。
《自然界的艺术形态》 (1904), 图版 4: Diatomeae
幸运的是，我在 https://sketchfab.com/ 找到了可以下载的硅藻结构模型（如下图所示，红色箭头指示的下载图标表明这是一个可以下载的模型），就决定试试这个。
在 sketchfab.com 上找到了可以下载的硅藻模型
项目概述
本项目旨在使用 Bambu Lab A1 Combo 打印机和 PETG Translucent 材料打印微观生物——硅藻Campylodiscus hibernicus 的3D模型。模型从 Sketchfab 获取，并通过适当缩放和打印设置，展示这种单细胞藻类的复杂硅质壳结构。
3D 模式查看硅藻模型结构，这是目前减材技术无法直接生成的结构
材料与工具
- 打印对象：硅藻Campylodiscus hibernicus 3D模型 (Sketchfab链接)
- 3D建模处理：Bambu Studio
- 3D打印机：Bambu Lab A1 Combo（0.4mm喷嘴）
- 打印材料：PETG Translucent（透明）
详细工作流程
模型准备
模型获取
- 从Sketchfab下载模型，解压后获得"
Diatom - Campylodiscus hibernicus.stl"文件。 - 该模型由 David Peterman 创建，适合教育和展示用途。
模型检查与调整
- 打开 Bambu Studio 软件并导入STL文件。
- 缩放模型使其最长边为50mm，确保均匀缩放以保持比例，如下图所示。
在 Bambu Studio 软件中导入硅藻的 STL 文件，并缩放到最长边 50mm
- 使用自动朝向功能，如下图所示，软件将模型立了起来，如下图所示。
使用自动朝向，硅藻模型被立了起来
- 然后使用全局整理（快捷键为 A），调整模型方向，使底部平坦部分朝向打印平台，并将模型置于打印区域的中央，如下图所示。
使用全局整理，硅藻模型被放置在打印平台的中央
打印参数设置
打印机与材料选择
- 选择打印机型号：Bambu Lab A1 Combo
- 喷嘴直径：0.4mm
- 材料类型：PETG Translucent（1.75mm直径）
2.2 打印参数优化
下面是拓竹 PETG Translucent 材料提供的产品参数，掌握这些参数对成功打印至关重要。
物理性能
| 项目 | 数值 |
|---|---|
| 密度 | 1.25 g/cm³ |
| 维卡软化温度 | 79 °C |
| 热变形温度 | 74 °C |
| 熔融温度 | 228 °C |
| 熔融指数 | 11.7 ± 1.5 g/10 min |
机械性能
| 项目 | 数值 |
|---|---|
| 拉伸强度 | 33 ± 4 MPa |
| 断裂伸长率 | 8.2 ± 1.3 % |
| 弯曲模量 | 1610 ± 130 MPa |
| 弯曲强度 | 68 ± 3 MPa |
| 冲击强度 | 37.4 ± 3.3 kJ/m² |
打印指引
| 项目 | 数据 |
|---|---|
| 打印前的干燥条件 | 鼓风型烤箱: 65 °C, 8 h X1 系列打印机热床: 75 - 85 °C, 12 h |
| 适用打印面板 | 工程材料打印面板 / 高温打印面板 / 纹理 PEI 打印面板 |
| 打印面板表面处理 | 涂胶 |
| 打印热床温度 | 65 - 75 °C |
| 喷嘴尺寸 | 0.2 / 0.4 / 0.6 / 0.8 mm |
| 打印喷嘴温度 | 230 - 270 °C |
| 打印速度 | < 220 mm/s |
| 打印、保存环境湿度 | < 20% RH (密封, 加干燥剂) |
根据产品参数我调整了一些打印设置项。
- 温度设置：
- 喷嘴温度：250°C（提高透明度）
- 床温：70°C（确保粘附）
- 层高设置：
- 首层层高：0.2mm（捕捉细节）
可变层高调整
可变层高的目的是找到提高表面质量与兼顾打印速度的平衡。
- 进入 Bambu Studio 的"可变层高"功能。
- 选择"自适应"和"平滑模式"按钮优化层高分布，如下图所示。
- 查看等高线预览，确保硅藻细微结构能被正确捕捉。
使用自适应加平滑模式的可变层高效果
支撑选择与切片
Bambu Studio 提供了普通支撑与树状支撑的选择，这里我分别尝试和切片，从下图给出的总预估报告可以看到：
普通支撑耗时 2h49m，树状支撑 2h57m。时间差异并不大，所以我选择树状支撑，据说更适合复杂结构。
普通支撑总耗时 2h49m
树状支撑总耗时 2h57m
4. 树状支撑 3D打印过程
4.1 打印机准备
- 确认打印平台清洁并校准。
- 装载PETG Translucent耗材并确认挤出正常。
- 预热打印机至设定温度。
拓竹的打印机自动化程度很高，推自动进行各种校准和准备工作。
4.2 打印执行
- 启动打印任务并监控第一层的附着情况。
- 观察打印过程中的层间粘合和透明效果形成。
- 完成打印后等待模型冷却。
模型用了差不多 3 个小时打印完，托盘上有些碎屑和细丝出现，顿觉不妙。
硅藻 1.0 版打印效果，使用了树形支撑
移除支撑发现打印失败
把打印件从盘上取下，我尝试用工具移除支撑，发现支撑和结构粘连的非常紧。尤其是在取下中间那些比较纤细的部分时，移除支撑时会把这些结构一起扯下。
移除支撑时变成大型翻车现场
我分析导致失败可能有以下原因：
- 可变层高对于这种纤细的结构并不友好，上面失败的样品上，可以看到明显的层纹痕迹
- 树形支撑对有很多纤细结构并不友好
普通支撑无可变层高再次打印
这次我在 Banbu Studio 里换为了普通支撑并取消了可变层高。打印的时间也少了差不多 1 小时。
设置为普通支撑并取消了可变层高
这次打印看着比较顺利，托盘也很干净。
硅藻 2.0 版，普通支撑的打印结果看着还不错
下面开始着手拆除支撑，解除支撑依然是件辛苦的事。
左侧为普通支撑结果，右侧为树形支撑结果
这次稍微有进步，硅藻的外缘还不错，但内部纤细且中空的部分，支撑还是有粘连，我还没有想好
AI 失败总结与改进建议
对一个 3D 打印新手，这算第 2 次失败，我询问了 Claude，提供了项目的图片和文档，提示词如下：
我在尝试打印硅藻结构，最长边50mm 大小，分别尝试了普通支撑和树形支撑，普通支撑稍微好一点，但支撑和中空的细部结构粘连比较严重，请你帮我撰写一个失败总结，并给出改进建议。
向 Claude 求助
下面被横线包裹的是 Claude 给出的问题分析和改进建议。
问题分析
- 支撑结构粘连问题：无论是树形支撑还是普通支撑，都与模型的细小内部结构产生了严重粘连，导致在移除支撑时破坏了模型的完整性。
- 结构精细度无法实现：硅藻模型内部的纤细结构对于FDM打印机的精度要求很高，尤其是那些放射状的内部支柱和中空部分。
- 层高设置不当：可变层高设置可能对这种复杂的微观结构不友好，导致明显的层纹痕迹。
- PETG材料特性：PETG虽然透明度好，但粘性较强，不利于支撑的分离。
改进建议
- 模型修改与分割
- 考虑将模型分割成上下两半，水平打印可能减少对支撑的依赖
- 增加关键纤细结构的厚度，牺牲一些原始细节以提高可打印性
- 在CAD软件中为模型添加断裂点，便于后期支撑拆除
- 打印参数优化
- 降低喷嘴温度至230-240°C，减少材料过度流动和粘连
- 增加支撑与模型间的Z轴间隙（0.2mm→0.3mm）
- 使用更低的层高（0.12mm或0.1mm）来提高细节表现
- 降低支撑密度（15%-20%）并增加支撑与模型的XY距离
- 材料与后处理选择
- 考虑使用水溶性PVA作为支撑材料（如果打印机支持双挤出）
- 尝试使用光敏树脂SLA/DLP打印，对微观结构的表现更好
- 使用PLA可能比PETG更易于支撑分离（虽然透明度会降低）
- 使用超声波清洗器帮助溶解支撑与模型的粘连处
- 打印方向调整
- 尝试将模型倾斜45°打印，可能减少内部支撑数量
- 考虑多次小型测试，找到最佳打印方向
- 其他技术探索
- 如有条件，考虑使用树脂打印机(SLA/DLP)打印这类精细结构
- 可以尝试喷嘴直径更小的打印机（如0.2mm或0.25mm）
- 使用专业支撑软件（如Meshmixer）生成更智能的支撑结构
可行性实验建议
- 先打印模型的四分之一或八分之一部分进行测试，找到最佳参数
- 调整模型，加粗关键细微结构至少至0.8mm以上
- 使用热水或酒精浸泡试验，帮助PETG支撑与模型分离
- 探索使用可断裂支撑设置，在Bambu Studio中将支撑连接点设置为最小
通过这些改进措施，硅藻的内部纤细结构可能会有更好的打印效果，特别是支撑与模型的分离问题。如果条件允许，建议考虑树脂打印机以获得最佳的微观结构表现。
因为手头只有一卷 PETG 材料，所以我决定尝试调整参数，看看能否改进打印质量。于是我开启了打印机的高级设置，并将每一栏的设置发给 Claude，请 AI 帮我修改参数，如下图所示。
给 Claude 提供目前打印机的参数设置，并请 AI 给出改进建议
提示词如下：
我给你提供了打印机的质量，强度，速度，支撑，其他这几个设置的截图，告诉我应该怎么调整才能改进硅藻的模型获取质量。
下面被横线包裹的是 Claude 给出的问题分析和改进建议。
根据你提供的硅藻打印过程和 Bambu Lab A1 打印机设置截图，我来分析一下如何优化设置以改善硅藻模型的打印质量，特别是解决支撑移除困难和细节保留问题。
优化打印参数建议
层高设置
- 当前: 0.12mm (Fine)，首层 0.2mm
- 建议修改:
- 保持 0.12mm 层高，适合细节打印
- 关闭可变层高功能，对于这种微观结构更有利于一致性
支撑设置
- 当前: 普通支撑，接触角度 25°，XY 间距 0.35mm，Z 距离 0.12mm
- 建议修改:
- 增加 Z 距离: 从 0.12mm 提高到 0.16-0.2mm，使支撑更容易分离
- 增加 XY 间距: 从 0.35mm 增加到 0.45-0.5mm
- 降低接触角度: 从 25° 降低到 15-20°，减少支撑数量
- 支撑密度: 降低到 10-12%（当前为 15%）
- 勾选"使用不同的支撑/模型 XY 间距于首层"，设置为 0.3mm
温度和冷却设置
- 建议修改:
- 降低喷嘴温度: 对于 PETG Translucent，设置为 240°C（而非当前可能的 250°C）
- 增加冷却风扇速度: 对于纤细部分增加至 80-100%
- 启用桥接设置: 确保勾选"桥接风扇"选项，提高至 100%
打印速度
- 当前: 外墙 200mm/s，内墙 350mm/s
- 建议修改:
- 减慢外墙速度: 降低到 120-150mm/s
- 减慢内墙速度: 降低到 200-250mm/s
- 减慢支撑速度: 从 150mm/s 降低到 100mm/s
- 微小特征速度: 降低到 30% 或更低
稀疏填充设置
- 当前: 15% 网格图案，线条间距较大
- 建议修改:
- 增加填充密度: 对于硅藻结构，提高到 20-25%
- 改变填充图案: 使用"三角形"或"立方体"填充，比网格提供更好的支持
其他关键设置
- 勾选"识别狭窄内部实心填充": 已启用，正确
- 底部/顶部接触面层数: 增加到 3-4 层，提高表面质量
- 橦试梯设置: 宽度维持 35mm，但清理量可提高到 60mm³，确保打印前喷嘴干净
硅藻模型特定优化
- 模型修改建议:
- 在打印前，使用3D建模软件（如Meshmixer）手动增加一些断裂点，使支撑更容易移除
- 将模型分割成上下两部分单独打印，然后粘合
- 支撑移除技巧:
- 打印完成后，将整个模型浸入 40-50°C 的温水中 10-15 分钟
- 使用精细的镊子和牙签等工具小心移除支撑
- 替代打印方向:
- 尝试将模型旋转 45°，使顶部朝向打印平台
- 这样可能减少支撑结构与内部精细结构的交互
- 尝试不同支撑类型:
- 你的测试显示普通支撑略优于树形支撑
- 使用普通支撑，但可以进一步降低支撑接触点大小
这些调整重点是改善支撑与模型的分离性，同时保持足够的支撑强度来确保模型完整性。对于PETG材料，增加支撑与模型的距离以及降低喷嘴温度是解决粘连问题的关键。
修改设置后切片，这次时间变成 2h51m（和之前的树形测试时间接近），如下图所示。然后启动打印。
修改参数后再次切片
经过近 3 个小时的打印，这次效果看上去也不错。
硅藻 3.0 版，背景能看到擦拭塔
为了提高打印质量，勾选了擦拭塔，托盘上会多出一个立方体结构，如下图所示。
擦拭塔(Wipe Tower，也称为清理塔或净化塔)在3D打印中有几个重要作用：
- 清洁喷嘴 - 打印过程中，喷嘴可能会有残留材料或渗漏。擦拭塔允许打印机在每层开始打印前将喷嘴在塔上擦拭，清除这些残留物。
- 稳定挤出 - 当打印机休息或移动到模型不同部分时，挤出可能变得不稳定。擦拭塔确保在开始打印模型的关键部分前，挤出流量已经稳定。
- 多材料打印辅助 - 对于多材料或多色打印，擦拭塔用于材料切换过程中清理喷嘴，防止颜色混合或交叉污染。
- 减少拉丝 - 通过提供喷嘴移动到模型前的目标点，减少了长距离移动导致的拉丝问题。
在你的硅藻模型打印中，擦拭塔可以帮助保持PETG材料的一致挤出，尤其是在打印那些需要精细细节的区域前。你在设置中已经启用了擦拭塔，宽度为35mm，清理量为45mm³，这对于复杂模型来说是合理的设置。
如果你发现喷嘴拉丝严重或者打印细节部分质量不佳，可以考虑稍微增加清理量到60mm³，确保喷嘴在打印关键部分前是完全清洁的。
勾选擦拭塔，托盘上会增加一个中空的立方体结构
实际打印的擦拭塔。
打印出来的擦拭塔
接着就是艰难的去除支撑的过程
去除支撑的过程依旧艰难，甚至比打印的时间还要长
花了几个小时去除了我认为能去除的支撑，但发现里面中空的部分还是无法成功取出，如下图右侧图像。
硅藻从左到右 1.0-3.0 版，还是没有办法取出中空结构内部的支撑
看来对这个结构，要想获得更好的效果，建议使用水溶性PVA作为支撑材料。