趙小娟張開發(fā)高 偉（.武昌工學(xué)院機械工程系，湖北 武漢 430065；.武漢船舶設(shè)計研究院，湖北 武漢 430060）

不同型號ideaprinter 3D打印機及其性能參數(shù)對成型質(zhì)量的影響

趙小娟1張開發(fā)2高 偉2
（1.武昌工學(xué)院機械工程系，湖北 武漢 430065；2.武漢船舶設(shè)計研究院，湖北 武漢 430060）

分別使用ideaprintF100型及 F100L 型3D打印機打印制造，詳細分析了打印設(shè)置中幾種重要參數(shù)對其成型質(zhì)量的影響及其產(chǎn)生的原因。通過實際打印設(shè)計的試驗，獲得數(shù)據(jù)并進行分析，通過對每組參數(shù)下試驗結(jié)果是否產(chǎn)生、產(chǎn)生了多大的差異進行分析，得出對以后的設(shè)計、試驗有參考價值的結(jié)果。

3D打?。蝗廴诔练e成型技術(shù)；性能參數(shù)；成型質(zhì)量；粗糙度

通常說的3D打印技術(shù)，其實是代指快速成型技術(shù)，它的學(xué)術(shù)名稱是增材制造或快速成型技術(shù)，是指通過化學(xué)、物理、機械等方法，有序添加材料，堆積成型[1]。傳統(tǒng)的制造技術(shù)如注塑法、模塑法可以以較低的成本大量制造聚合物產(chǎn)品，而3D打印技術(shù)則可以以更快、更有彈性以及更低成本的辦法生產(chǎn)數(shù)量相對較少的產(chǎn)品[2]。3D打印技術(shù)始于20世紀90年代，隨著材料科學(xué)和計算機模擬技術(shù)的高速發(fā)展，3D打印技術(shù)逐漸介入我們生活的方方面面，并逐步實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。目前，3D打印技術(shù)主要用于汽車零部件及特殊機械元器件的制作[3]、人造器官的制作成型，以及人工骨骼的制作，乃至冰淇淋、奶油蛋糕等食品的成型[4,5,6]。在創(chuàng)意設(shè)計行業(yè)，已有將3D打印技術(shù)應(yīng)用于服裝、高跟鞋的制作嘗試，對于一些特殊的文創(chuàng)產(chǎn)品制作，3D打印技術(shù)也將會有廣闊的應(yīng)用前景[7]。

3D打印機的分辨率高低直接影響打印成品的光滑度，現(xiàn)有的打印機分辨率對大多數(shù)應(yīng)用來說已經(jīng)足夠。但在打印一些特殊物件彎曲的表面過程中，由于計算機圖像處理的不足，導(dǎo)致彎曲表面光滑度不夠。如何處理這種情況，成為業(yè)界研究的一個重點[8]。本研究擬采用不同型號的ideaprint 型3D打印機打印彎曲呈表面的工件，探究打印設(shè)置中幾種重要參數(shù)對其成型質(zhì)量的影響及其產(chǎn)生的原因，旨在為3D打印技術(shù)的應(yīng)用提供參考依據(jù)。

1 試驗設(shè)備及檢測儀器

試驗所使用的3D打印機是基于熔融沉積成型技術(shù)的一種快速成型設(shè)備。

ideaprinterF100型3D打印機，ideaprinterF100L型3D打印機：上海復(fù)翔信息科技有限公司生產(chǎn)。

檢測儀器：粗糙度測量儀。

2 試驗產(chǎn)品結(jié)構(gòu)介紹

試驗產(chǎn)品是通過Solidworks軟件建立三維模型。此模型為中空件，且外表面形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜，曲面過渡有圓弧形與棱形差別，且厚度不均，表面粗糙程度有差別。股骨結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 股骨的結(jié)構(gòu)

3 試驗方法

本次試驗所考慮的產(chǎn)生區(qū)別的參數(shù)設(shè)置分別為：三維建立的模型轉(zhuǎn)換為STL文件時的品質(zhì)參數(shù)設(shè)置、3D打印機不同速度的打印方案以及不同的支撐方法。具體的不同參數(shù)的選擇如下：

STL文件的精度：由Solidworks軟件轉(zhuǎn)化格式時，有粗糙與精細兩個預(yù)置的品質(zhì)選項，主要的區(qū)別參數(shù)為誤差公差與角度公差，于是在已有的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上增加了一組自定義的品質(zhì)，在精細品質(zhì)的基礎(chǔ)上以粗糙與精細品質(zhì)的參數(shù)倍數(shù)設(shè)置參數(shù)，由于精度大于精細品質(zhì)，遂將其命名為超精細品質(zhì)。具體的品質(zhì)參數(shù)為：

（1）粗糙：誤差公差：0.21950486 角度公差：30度,該組參數(shù)用字母A表示。

（2）精細：誤差公差：0.08457985 角度公差：10度,該組參數(shù)用字母B表示。

（3）超精細：誤差公差：0.03212266 角度公差：5度,該組參數(shù)用字母C表示。

不同打印成型方案：主要由打印機產(chǎn)品內(nèi)置的速度對應(yīng)打印方案，具體的方案區(qū)別參數(shù)為：

（1）快速：外壁打印速度50mm/s 內(nèi)壁打印速度50mm/s 填充速度80mm/s,該組參數(shù)用數(shù)字1表示。

（2）均衡：外壁打印速度35mm/s 內(nèi)壁打印速度50mm/s 填充速度70mm/s,該組參數(shù)用數(shù)字2表示。

（3）最佳：外壁打印速度15mm/s 內(nèi)壁打印速度35mm/s 填充速度60mm/s,該組參數(shù)用數(shù)字3表示。

支撐方式有Raft和Brim兩種，分別用羅馬數(shù)字Ⅰ和Ⅱ表示。

最終的試驗設(shè)計結(jié)果見表1。

表1 試驗項目設(shè)計

4 結(jié)果與分析

通過以上試驗數(shù)據(jù)的打印，對產(chǎn)品進行分析，發(fā)現(xiàn)：

（1）本臺機器的使用次數(shù)或者出廠質(zhì)量不同，主噴嘴的溫度、出料的溫度保持等因素表現(xiàn)較好。

（2）工作臺上進行打印位置之前的打印次數(shù)比較少，花紋紙的粗糙度和吸附力比較大。

（3）一開始打印底座時就發(fā)現(xiàn)，噴嘴在工作臺上運用時緊緊地貼著花紋紙并且有頂在工作臺上的感覺。停機進行調(diào)整時發(fā)現(xiàn)，應(yīng)該是廠家在安裝時存在問題，導(dǎo)致最極端狀態(tài)下的工作臺依然緊貼著主噴嘴，這就解釋了為什么在第一次試驗的時候A232的底座那么細密了，相當(dāng)于噴頭不光將材料熔融，還將它抹平、向花紋紙擠壓，最終在非正常工作條件下形成了一個特別致密的底座。

（4）試驗時，幾乎所有的產(chǎn)品在中部較細的位置出現(xiàn)了瑕疵。首先，可以確定的是這兩種機型在這種形狀的處理上均不占優(yōu)勢，在這種尺寸變得較小、形狀比較有棱角、特別是加工位置傾斜度變大的加工處容易把這個不足之處暴露出來。其次，由最為嚴重的A2Ⅰ與B1Ⅰ相比較，不同的機器產(chǎn)生的問題嚴重程度不一樣，與設(shè)置的參數(shù)關(guān)系不大。

由打印過程以及數(shù)據(jù)（表2）分析可以發(fā)現(xiàn)：從產(chǎn)品底部往上高度為11cm處的粗糙度較大，并會因為機器的不同產(chǎn)生不同程度的瑕疵，所以不同參數(shù)導(dǎo)致數(shù)據(jù)不同的分析主要參照高度2cm和8cm處的采樣進行分析，11cm處的數(shù)據(jù)只做為一定參考。

表2 不同方案在對應(yīng)位置的粗糙度測量數(shù)據(jù) /μm

4.1 不同處理方式的分析

由3組數(shù)據(jù)相比，直接得到的結(jié)果是：與精細的處理方式比較，粗糙的打印產(chǎn)品精度相對較高；與超精細的處理方式相比，精細的打印產(chǎn)品精度相對較高；而在粗糙和超精細的對比中，在2cm處粗糙處理的粗糙度較好，在之后的兩個采樣點處均是超精細的精度比較好。

大致看來，三個結(jié)果相互制約有可能出現(xiàn)悖論。究其原因，是因為打印機器的緣故，在A2Ⅰ打印的過程中中部較細的部分出現(xiàn)了特別明顯的瑕疵，8cm處有大量的溝狀瑕疵，并且有了一定的鏤空征兆，11cm處更是沿著環(huán)狀的輪廓直接出現(xiàn)了大量的空洞，影響了最后進行的粗糙度測量。按照觀察分析，結(jié)合其他數(shù)據(jù)，可以得出STL品質(zhì)的參數(shù)影響下產(chǎn)品的精度排行為：粗糙〉精細〉超精細。

這個結(jié)果與預(yù)期相反，之所以出現(xiàn)這樣的現(xiàn)象，是由于STL文件參數(shù)的精細度是通過改變代替物體原本表面所生成的小三角形的大小來實現(xiàn)的。越粗糙的參數(shù)所形成的表面看到的小三角形產(chǎn)生的棱面就越大，相當(dāng)于越精細的參數(shù)打印機的運動軌跡更傾向于圓弧型；而粗糙的參數(shù)打印機所行走的軌跡是由一條條直線組成的。在通過測量與成型方向垂直所獲得的粗糙度數(shù)據(jù)可以看出，打印機在打印時，平面比弧面的成型效果更好。

4.2 不同成型方案生產(chǎn)的產(chǎn)品精度對比分析

由于試驗時間有限，加上對不同底座支撐對于產(chǎn)品的精度并沒有產(chǎn)生明顯的影響，最佳和快速對比采用B1Ⅰ和B3Ⅱ?qū)Ρ?。直接對比?shù)據(jù)可以得到的結(jié)果是：快速要優(yōu)于均衡，均衡優(yōu)于最佳，最終可以得到不同的成型方案對產(chǎn)品粗糙度的優(yōu)劣排行為：快速〉均衡〉最佳。

試驗的結(jié)果同樣出乎預(yù)料，但是通過分析實際的產(chǎn)品，可以發(fā)現(xiàn)其中的A1Ⅰ未能成功打印完成，A2Ⅰ產(chǎn)生了嚴重的空洞瑕疵，以至于最后輕輕一掰，零件應(yīng)聲而斷，根本無法使用。雖然粗糙度的測量結(jié)果表示的排行是快速〉均衡〉最佳，但是在實際操作中發(fā)生的問題，才是真正左右試驗結(jié)論的關(guān)鍵。

單從試驗所得數(shù)據(jù)來看，無論是STL文件的品質(zhì)還是打印時的速度方案，都是越粗糙、越不注重質(zhì)量而追求數(shù)量產(chǎn)生的表面粗糙度的數(shù)值表現(xiàn)越好。前者是因為對于打印機來說，相對股骨輪廓所要求的弧形的運動軌跡，平面的那種平直的運動軌跡能讓打印機完成的精度更好；而后者是因為比較快的堆積速度有利于在下一層的材料打印步驟到來之前，上一層材料的溫度還保持有比較高的溫度，有利于兩層材料相互融合，在垂直于打印堆積方向測量的粗糙度測量中比較有利。

但是正因為下層材料尚未冷卻定型，在速度更快的打印成型方案中，在底層材料冷卻后零件發(fā)生了一定程度上的形變，出現(xiàn)了很高的次品率，實際上是不能用來作為結(jié)果參數(shù)來考慮的。

通常的思維下STL品質(zhì)最精細、打印方案最佳的零件成型精度應(yīng)該是最好的，但是測量出來的數(shù)據(jù)卻讓人大跌眼鏡，各個位置的數(shù)據(jù)都比較高，但是通過觀察不難發(fā)現(xiàn)，雖然各項數(shù)值均偏大，三項數(shù)值的差距卻是在9項試驗數(shù)據(jù)中最小的。在球頭的打印過程中，越快的生產(chǎn)速度容易造成較大的缺陷，如圖2。

圖2 成型缺陷

由于如今的打印技術(shù)尚未發(fā)展到特別精細的程度，直接打印出來的成品并不能馬上標成商品投入市場，依然需要對其進行精細加工，比較均衡的粗糙度反而有利于后期加工，在提高其整體粗糙度表現(xiàn)的時候不會對其尺寸產(chǎn)生較大的影響。而不同位置粗糙度差異較大的零件考慮到保持其各個位置的尺寸，可能需要針對其不同部位來分別進行不同程度的精細加工，降低了生產(chǎn)效率，提高了加工難度。這與本來就是針對于快速生產(chǎn)成型的增材制造技術(shù)的目的是相悖的。而且，試驗過程與結(jié)果都能證明，試驗參數(shù)越粗糙，生產(chǎn)的成品率就越低。

5 結(jié)論

綜合本次試驗的完整過程和測量參數(shù)的分析，可以總結(jié)出以下結(jié)論：

（1）與傳統(tǒng)的模具生產(chǎn)相比，3D打印在去除模具的成本和提高產(chǎn)品個性化等方面有很大的優(yōu)勢，但是單個產(chǎn)品生產(chǎn)成型的耗時比較長。

（2）由于通過沿著兩個相互垂直的坐標系設(shè)置的軸進行運動，打印機對于直線輪廓的處理要比弧形輪廓的處理好得多。

（3）F100L型打印機由于增大了其成型高度，應(yīng)該在機器的工作邏輯上和穩(wěn)定性上進行相應(yīng)的調(diào)教，同樣的零件生產(chǎn)出來的效果要略好于F100型。

相比之下，Raft底座需要消耗更多的材料，延長一定的打印時間，但是結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)固，在工作臺上的固定效果也特別好；Brim底座特別節(jié)省材料與底座形成時間，但由于與工作臺的接觸面積小，也更容易冷卻，固定效果較差。在這次試驗?zāi)繕水a(chǎn)品類似的細長形零件豎直放置的打印過程中，容易出現(xiàn)產(chǎn)品跑動，造成打印失敗。

單從成型后測量的數(shù)據(jù)上看，由于第二條結(jié)論，比較粗糙的參數(shù)所獲得的粗糙度數(shù)值較好，但結(jié)合實際打印過程中的成功率，和最終產(chǎn)品加工成型的需求，還是更加精細的加工方式獲得的產(chǎn)品比較符合生產(chǎn)和設(shè)計的要求。

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趙小娟（1983-），女，武昌工學(xué)院機械工程系主任、講師、碩士研究生。E-mail：158712087@qq.com

2016-09-17