謝韋蓮， 鐘雄權(quán)

（1.廣東工業(yè)大學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)部，廣州510006；2.廣州市醫(yī)藥職業(yè)學(xué)校，廣州 510430）

0 引言

隨著社會(huì)的發(fā)展，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)對(duì)產(chǎn)品的新設(shè)計(jì)與制造提出風(fēng)險(xiǎn)為零要求的同時(shí)，也要求大大縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，快速地將新產(chǎn)品打入市場(chǎng)，以滿足傳統(tǒng)的加工模式無(wú)法滿足的市場(chǎng)需求［4］。 快速成型（ Rapid prototyping，RP）技術(shù)，俗稱3D打印技術(shù)，它突破了傳統(tǒng)的“毛坯→去除多余余量→零件”工序模式，是一種無(wú)需刀具、夾具和機(jī)床就可以根據(jù)零件的三維模型數(shù)據(jù)，經(jīng)成型設(shè)備以自下而上的連續(xù)分層堆積去制作形狀極為復(fù)雜的工件的技術(shù)。

至今為止，全世界已經(jīng)研發(fā)出多種不同的快速成型方法和工藝，其中熔融擠壓快速成型技術(shù)（Melted Extrusion Modeling，MEM）就是一種重要RP技術(shù)，原理相近于熔融沉積成型（ Fused Deposition Modeling，F(xiàn)DM）［8］。 目前，市場(chǎng)最新推出桌面級(jí)MEM三維打印設(shè)備，機(jī)身簡(jiǎn)潔，性能完備，操作簡(jiǎn)單，低噪，安全、環(huán)保，無(wú)需特別的裝置，不占空間，在加工過程中用戶可以直觀地觀賞到有數(shù)字模型轉(zhuǎn)變?yōu)榱Ⅲw實(shí)物的整個(gè)過程，它是疾速成型技能在小型3D打印運(yùn)用的產(chǎn)物，可方便地直接打印各類模型，可用于小型產(chǎn)品打樣、模型制作、零件加工、教學(xué)實(shí)踐及個(gè)人DIY中，讓體驗(yàn)者通過親自操作，實(shí)現(xiàn)將設(shè)計(jì)變?yōu)閷?shí)體的夢(mèng)想，滿足DIY愛好者制作工藝品、工程師測(cè)試及提升早期的設(shè)計(jì)水平、建筑師制作精美模型，從而節(jié)約時(shí)間和成本等。

1 桌面級(jí)MEM成型技術(shù)的工作原理

熔融擠壓成型（MEM）是指將熱塑性材料，如蠟、ABS、PC、尼龍等，在噴頭內(nèi)加熱熔化，然后通過擠壓頭輸出，材料迅速固化，并與前一個(gè)層面熔結(jié)在一起，一層層自下而上依照計(jì)算機(jī)中的3D模型堆積成型［7］。在每一個(gè)層片堆積過程中，上一層對(duì)當(dāng)前層起到定位和支撐的作用。隨著高度的增加，如果上層截面區(qū)域與下層截面區(qū)域具有懸空的結(jié)構(gòu)和形狀時(shí)，上層輪廓已經(jīng)無(wú)法提供足夠的定位和支撐作用［3，7］，此時(shí)，在成型過程中需要對(duì)該部分增加一些輔助支撐結(jié)構(gòu)，軟件可根據(jù)需求主動(dòng)生成支撐物，確保支撐輔佐3D打印順利完成，打印完成后去掉支撐物即可［7］。其工作原理如圖1所示。

圖1 桌面級(jí)MEM工作原理

2 桌面級(jí)MEM成型技術(shù)特點(diǎn)

桌面級(jí)MEM成型技術(shù)之所以嶄露鋒芒，越來(lái)越受人們的關(guān)注，主要因?yàn)樗哂衅渌尚头椒ㄋ痪哂械脑S多優(yōu)點(diǎn)：1）沒有采用激光系統(tǒng)，成本廉價(jià)，與幾十萬(wàn)甚至數(shù)百萬(wàn)的專業(yè)級(jí)3D打印相比，一般每臺(tái)只需數(shù)萬(wàn)元，低的甚至只數(shù)幾千元，維護(hù)成本低，可滿足大眾消費(fèi)水平。2）操作簡(jiǎn)單，無(wú)毒無(wú)味，環(huán)保，無(wú)噪音，設(shè)備占用面積小，適合于辦公室、家庭環(huán)境中使用。3）插入式材料輸入，絲材清潔，容易更換、保存，在設(shè)備中或附近不會(huì)形成粉末或液體污染。4）后處理簡(jiǎn)單，無(wú)需化學(xué)清洗，僅需要幾分鐘到一刻鐘的時(shí)間剝離支撐后，原型即可使用［9］。5）可直接制作彩色原型。

當(dāng)然，桌面級(jí)MEM成型技術(shù)與其他快速成型技術(shù)相比，也存在許多缺點(diǎn)：1）成型件的表面有較明顯的條紋，打印出來(lái)的產(chǎn)品會(huì)有很明顯的分層感。2）需要設(shè)計(jì)與制作支撐結(jié)構(gòu)。3）使用材料范圍受到限制，對(duì)于桌面級(jí)的產(chǎn)品來(lái)說，目前能使用的材料還僅限于塑料，而工業(yè)級(jí)的3D打印機(jī)可以用于打印的材料已經(jīng)較為豐富，比如塑料、金屬、玻璃，甚至可以打印類似木材的材料。4）精度較低，一般精度為±0.02 mm，而工業(yè)級(jí)打印機(jī)的精度則可以精確到幾微米，多用于打印原型精度和物理化學(xué)特性要求不高的模型。

3 桌面級(jí)MEM技術(shù)實(shí)際應(yīng)用

結(jié)合實(shí)驗(yàn)室的UP！3D桌面級(jí)打印機(jī)，根據(jù)成型技術(shù)特點(diǎn)，下面以手機(jī)保護(hù)套作為打印測(cè)試件，體驗(yàn)設(shè)計(jì)變?yōu)閷?shí)體的效果，并展示打印過程及對(duì)桌面級(jí)3D打印相關(guān)參數(shù)進(jìn)行分析，可為廣大愛好者提供一定的參考。其基本的工藝過程可表達(dá)為：三維軟件建立設(shè)計(jì)產(chǎn)品的實(shí)體模型（保存成STL格式）→前處理（選擇材料、工藝參數(shù)設(shè)置等）→實(shí)際加工制造→后處理（去除支撐材料等）。

3.1 建立三維模型及生成STL格式

圖2 手機(jī)保護(hù)套模型2D圖樣與三維造型

3D打印機(jī)在打印一個(gè)模型之前，必須先進(jìn)行3D建模，通過手機(jī)保護(hù)套二維圖樣，使用三維造型軟件進(jìn)行三維建模設(shè)計(jì)，如圖2所示。目前，STL格式是快速成型領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換格式，幾乎所有CAD系統(tǒng)都支持生成STL格式［2］，并且由于UP！3D打印機(jī)僅支持STL格式和UP3格式的文件，因此建模完成后，將已經(jīng)完成設(shè)計(jì)的模型生成STL格式，具體過程為：File（文件）→Save As（另存為）→選擇文件類型為STL。

3.2 載入手機(jī)保護(hù)套模型

打開UP！軟件，載入手機(jī)保護(hù)套模型，可以通過旋轉(zhuǎn)、自動(dòng)布局等指令將模型工件確定合適的方位，通常通常遵循以下幾個(gè)依據(jù)：1）考慮模型表面精度；2）考慮模型強(qiáng)度；3）考慮支撐材料的施加與成型所需要的時(shí)間［9］。其中考慮模型強(qiáng)度更為重要，一般選取模型的最大表面作為支撐接觸面，以方便成型加工，保證工件質(zhì)量。如圖3（a）、（c）、（d）所示，在打印過程需要使用更多的支撐材料或者模型強(qiáng)度不足，并且支撐難以移除，提高后處理難度，對(duì)零件的支撐部分質(zhì)量產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，有可能會(huì)產(chǎn)生廢品，同時(shí)加工時(shí)間較長(zhǎng)，影響效率。本次測(cè)試選擇如圖3（b）所示，打印面朝上，需使用材料20.5g，打印時(shí)長(zhǎng)1h15min，使用支撐材料少，節(jié)約加工時(shí)間與成本，并且大大提高了工件表面質(zhì)量［6］。

圖3 擺放方位確定方案

3.3 確定3D打印參數(shù)

前處理是快速成型制造的重要內(nèi)容，其加工材料的選擇、工藝參數(shù)設(shè)置的合適與否直接關(guān)系到制件的質(zhì)量以及能否成型。因此前處理顯得十分重要，現(xiàn)根據(jù)MEM快速成型技術(shù)的特點(diǎn)，并結(jié)合本次試驗(yàn)的實(shí)際情況，分析參數(shù)設(shè)置對(duì)制件的質(zhì)量影響等。

1）選取ABS材料。根據(jù)產(chǎn)品品質(zhì)及要求，選擇符合工藝要求的打印材料。本次打印模型使用黃色ABS材料，是由于該材料具有良好的粘結(jié)性，耐久性，強(qiáng)度較高，無(wú)毒、無(wú)味，兼有韌、硬、剛的特性，原型強(qiáng)度可達(dá)到注塑成型的80%，成型后的產(chǎn)品無(wú)內(nèi)應(yīng)力，不變形，精度較高，同時(shí)在打印時(shí)可根據(jù)用戶愛好、市場(chǎng)需求選擇不一樣色彩的ABS材料作為原材料打印［3］。

2）調(diào)整噴頭與平臺(tái)之間的距離。為了保證打印時(shí)模型與打印平臺(tái)粘結(jié)正常，防止噴頭與工作臺(tái)碰撞對(duì)設(shè)備造成損害，在打印之前調(diào)整好噴頭與平臺(tái)之間間隙，間隙大約為0.2 mm［6］，如圖 4 所示。

圖4 噴頭與平臺(tái)間距

3）設(shè)置合理的工藝參數(shù)。UP！3D打印機(jī)在打印模型時(shí)，首先要設(shè)置合適的工藝參數(shù)，工藝參數(shù)的設(shè)置直接影響到工件的質(zhì)量以及能否成型，它主要的相關(guān)設(shè)置包括層片厚度、基底高度、密封表面、填充、支撐等。

層片厚度：層片厚度選擇越小，得到的工件表面質(zhì)量越高，但是成型時(shí)間也較長(zhǎng)，反之分層厚度越大，制件的精度越低，生產(chǎn)效率也較高［2］。

密封表面：表面層決定打印底層的層數(shù)，如設(shè)置成2，那么在打印實(shí)體模型之前會(huì)打2層，打印完成后將其去除，保證工件與平臺(tái)之間接觸面的質(zhì)量。角度表示如果打印時(shí)，工件水平成型角度大于設(shè)置角度，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)添加支撐［6］。

支撐：設(shè)定密封層主要為了避免模型主材料凹陷入支撐網(wǎng)格內(nèi)，因此在接近主材料被支撐的部分要做數(shù)層密封層［6］。在添加支撐時(shí)，對(duì)于支撐也需要進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，支撐間隔越大，支撐材料越好去除，間隔越小，對(duì)模型本身的拉力就越大。在使用支撐材料時(shí)，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)選擇支撐角度的大小，來(lái)設(shè)置模型支撐多少，當(dāng)大于選取角度時(shí)，支撐材料才會(huì)被使用，角度越大，支撐的材料越多。如圖 5 所示［6］，支撐角設(shè)為 10°明顯比支撐角設(shè)為 50°節(jié)省材料，因此在保證制件質(zhì)量的前提下，盡量選取較小的支撐角度。

圖5 支撐角度

圖6 填充內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)

填充：填充一共有4種內(nèi)部支撐選項(xiàng)，填充密度越小，成型的工件越堅(jiān)固，成型時(shí)間也相應(yīng)越長(zhǎng)。 如圖 6 所示［6］，填充的密度越大，制件內(nèi)部網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的間距相應(yīng)變大。

其他參數(shù)：在打印時(shí)選擇穩(wěn)固支撐，加工時(shí)支撐會(huì)比較穩(wěn)固，模型不易被扭曲變形，但是在去除支撐材料時(shí)比較困難，制件表面質(zhì)量也會(huì)受到影響［6］。如果制件為實(shí)體時(shí)，在制件強(qiáng)度要求不高的條件下可選擇“shell”選項(xiàng)，此時(shí)制件內(nèi)部為空心，外部壁厚大約1.5 mm，大大縮短加工時(shí)間及節(jié)約成本。

根據(jù)上述工藝參數(shù)分析，本文手機(jī)保護(hù)套模型工藝參數(shù)如圖7所示。

圖7 手機(jī)保護(hù)套模型工藝參數(shù)

3.4 三維打印

采用數(shù)據(jù)線將電腦與UP！3D快速成型機(jī)連接，將數(shù)據(jù)傳輸入成型機(jī)中，快速成型系統(tǒng)自動(dòng)將零件的高度尺寸分成若干層，每一層疊加的厚度為0.2 mm，從底層開始，分層制造，層疊堆積完成模型打印，如圖8所示。打印結(jié)束后，先將工件從平臺(tái)上取下來(lái)，用小鏟子小心取出原型，并借助小工具將支撐結(jié)構(gòu)去除，避免破壞零件。由于熔融擠壓的成型工藝，手機(jī)保護(hù)套的表面能看出層層堆積的紋理，但不影響使用，并且ABS強(qiáng)度較高，裝上去后對(duì)手機(jī)起到較好的保護(hù)作用。

圖8 手機(jī)保護(hù)套加工過程及模型成果

4 結(jié)語(yǔ)

隨著3D打印發(fā)展進(jìn)入新的階段，3D打印機(jī)已不再是設(shè)計(jì)師和科學(xué)家的專屬品，它已經(jīng)從工廠和實(shí)驗(yàn)室逐漸走出，也標(biāo)志著3D打印機(jī)大眾消費(fèi)市場(chǎng)的來(lái)臨，桌面級(jí)3D打印機(jī)將來(lái)可能如計(jì)算機(jī)一樣進(jìn)入日常工作、家庭中，與我們每個(gè)普通人的生活息息相關(guān)，它能夠快速打印出各種各樣的模型，如玩具、配件、創(chuàng)意模型等。盡管桌面級(jí)3D打印制件精度較低，僅僅能夠滿足模型愛好者、設(shè)計(jì)公司、小型工廠的疾速模型打印需求，但是其發(fā)展卻異常迅猛，受到人們的廣泛重視，將來(lái)依然有較大的改善空間，如：更加美觀的外形、更簡(jiǎn)便的調(diào)試與保護(hù)、更快的打印速度、更高的打印精度，更多不一樣色彩，不一樣材料介質(zhì)打?。?］。

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