李 彬，顧 海，陸 恒，張 捷，姜 杰

（南通理工學院 機械工程學院，南通 226002）

FDM工藝成型參數(shù)對打印成本的影響研究

李 彬，顧 海，陸 恒，張 捷，姜 杰

（南通理工學院 機械工程學院，南通 226002）

為了提高熔融沉積成型（FDM）的打印效率，減小打印成本，選擇成型參數(shù)中的放置方式、支撐方式、分層厚度、填充率和打印速度等參數(shù)對FDM工藝成型件的模型、支撐材料用量和打印時間的影響進行研究。結(jié)果表明，合理選擇成型參數(shù)可以有效減小打印成本。放置方式和支撐方式應(yīng)根據(jù)模型實際需要進行選擇。當分層厚度為0.2mm，填充率為15%，打印速度為80mm/s時，在滿足模型精度、強度等條件下有效提高打印效率，減小打印成本。

熔融沉積成型；工藝參數(shù)；打印成本；打印效率

0 引言

熔融沉積成型（FDM，F(xiàn)used Deposition Modeling）工藝由于其結(jié)構(gòu)和操作簡單，使用、維護成本較低，可使用無污染的材料等優(yōu)勢，成為目前應(yīng)用最為普及的3D打印技術(shù)之一[1,2]。FDM成型工藝采用工業(yè)級熱塑材料、鑄造石蠟、低熔點金屬和陶瓷等作為成型材料[3,4]，打印出的模型主要用于模具行業(yè)等新產(chǎn)品的開發(fā)，也可用于直接制造零部件和生產(chǎn)工具[5,6]。

FDM工藝原材料成本較高、成型速度慢，成型時為了防止模型空腔或懸臂部分坍塌，需要給模型添加支撐，浪費材料的同時還浪費時間[7,8]。這些問題影響了FDM技術(shù)的推廣和應(yīng)用。針對這些不足，應(yīng)對其相對應(yīng)的改善措施進行研究[9,10]。

本文著重從不同的成型工藝參數(shù)：放置方式、支撐方式、分層厚度、填充率和打印速度等方面進行實驗研究，分析其對成型件的模型、支撐材料用量和打印時間的影響，以確定最小成本所對應(yīng)的最優(yōu)成型參數(shù)，這對FDM成型件的打印具有理論指導(dǎo)意義。

1 實驗方法

采用SolidWorks軟件進行外殼的三維建模，模型大小為70mm×180mm×40mm，實際體積為47.0139cm3，然后保存為STL格式的文件，如圖1所示。

圖1 產(chǎn)品的STL模型

模型打印采用3DTALK T-real Ⅱ IND型3D打印機，其具有兩個噴頭，分別打印PLA材料和支撐材料，構(gòu)件尺寸為254mm×254mm×210mm。先將文件導(dǎo)入打印機控制軟件，然后進行切片并生成打印路徑，最終進行打印。結(jié)合打印機自身特點，打印機平臺附著類型設(shè)置為無附著，模型支撐類型為完全支撐。分別從模型放置方式、支撐方式、分層厚度、填充率和打印速度等5個方面進行實驗研究。具體打印參數(shù)設(shè)置如表1所示。

打印前，分別記錄打印機剩余材料量（模型和支撐）。打印過程中，記錄各打印參數(shù)下的打印時間。打印完成，再次分別記錄打印機剩余材料量。材料用量=打印前剩余材料量-打印后剩余材料量。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 放置方式

當支撐結(jié)構(gòu)類型為線結(jié)構(gòu)，分層厚度為0.2mm，填充率為15%，打印速度為80mm/s時，打印模型不同放置方式所產(chǎn)生的支撐效果如圖2所示，打印模型及支撐用量和打印時間如表2所示。從圖2(a)、圖2(b)中可以看出，水平放置所產(chǎn)生的支撐結(jié)構(gòu)覆蓋面積較大。結(jié)合圖2(c)可以看出，豎直放置明顯比水平放置所產(chǎn)生的支撐結(jié)構(gòu)少。

表1 成型工藝參數(shù)

圖2 模型的放置方式

表2 不同放置方式的材料用量和打印時間

從表2中可以看出，水平放置比豎直放置打印模型所消耗的材料增加約7%，所產(chǎn)生的支撐結(jié)構(gòu)增加約500%，打印時間增加約32%。分析認為，這與模型本身特點有關(guān)。

打印模型消耗材料包括內(nèi)部填充材料和邊緣材料。不同放置方式下，模型內(nèi)部體積一定，填充所消耗的材料相等。邊緣材料與模型所有層數(shù)的XY方向的截面積周長和有關(guān)。水平放置比豎直放置的XY方向的截面積周長大，水平放置比豎直放置時的層數(shù)小，但水平放置比豎直放置的所有層數(shù)的XY方向的截面積周長和要略大。

從圖2中可以看出，水平放置時外殼曲面需要添加支撐，豎直放置時兩個圓孔及兩側(cè)需要支撐，即水平放置所需要的支撐結(jié)構(gòu)面積比豎直放置時要大得多，而支撐層數(shù)僅比豎直放置時略少，其支撐結(jié)構(gòu)體積遠大于豎直放置時所需要的支撐結(jié)構(gòu)體積。

一般來說，XY方向打印速度比Z方向打印速度要快。當XY方向面積較大，其打印所需時間可能超過Z方向高度打印時間，即水平放置時打印所需時間比豎直放置所需時間要大。

2.2 支撐方式

線支撐相對網(wǎng)格支撐來說比較容易拆除，但是卻沒有網(wǎng)格支撐那么堅固。網(wǎng)格支撐雖然堅固但是往往不易拆除。應(yīng)根據(jù)實際情況選擇相應(yīng)的支撐結(jié)構(gòu)。當放置方式為豎直，分層厚度為0.2mm，填充率為15%，打印速度為80mm/s時，不同支撐方式所產(chǎn)生的支撐效果如圖3所示，打印模型及支撐用量和打印時間如表3所示。從圖3中可以看出，(b)所示的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)明顯比(a)所示的線結(jié)構(gòu)所消耗的支撐材料要多。

圖3 支撐方式

從表3中可以看出，不同支撐結(jié)構(gòu)時，模型打印材料用量不變，網(wǎng)格結(jié)構(gòu)X方向、Y方向均有支撐，線結(jié)構(gòu)X方向有支撐，Y方向無支撐。網(wǎng)格結(jié)構(gòu)X方向支撐密度比線結(jié)構(gòu)支撐密度小，但比線結(jié)構(gòu)多出Y方向支撐。因此，相同層數(shù)時，網(wǎng)格結(jié)構(gòu)所消耗支撐材料比線結(jié)構(gòu)所消耗支撐材料增加約65%。由于XY方向打印速度較快，所以支撐方式為網(wǎng)格結(jié)構(gòu)時打印所消耗時間比線結(jié)構(gòu)增加約6%。

表3 不同支撐方式的材料用量和打印時間

2.3 分層厚度

實驗表明，不同分層厚度時，支撐材料用量均為1.64m。支撐材料用量不隨分層厚度的改變而改變。當模型放置方式為豎直，支撐結(jié)構(gòu)類型為線，填充率為15%，打印速度為80mm/s時，不同分層厚度的打印模型和打印時間如圖4所示。

從圖4中可以看出，隨著分層厚度的增加，模型材料用量先減小后增大。分層厚度為0.2mm時，模型材料用量最少，達到16.27m；分層厚度為0.3mm時，模型材料用量最多，達到16.56m。分層厚度的不同，其模型材料的用量變化并不明顯。

從圖4中可以看出，隨著分層厚度的增加，打印時間減小。三種不同分層厚度參數(shù)下，打印時間分別減小約95%、40%。高度一定時，分層厚度越大，層數(shù)越少，打印時間越少，打印的模型表面越粗糙。因此，需要根據(jù)實際需要選擇合適的分層厚度。

圖4 不同分層厚度的模型用量和打印時間

2.4 填充率

填充率描述模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)，填充率越大，內(nèi)部的填充越多，模型的強度就越大。填充率的不同不影響其支撐材料用量。當模型放置方式為豎直，支撐結(jié)構(gòu)類型為線，分層厚度為0.2mm，打印速度為80mm/s時，不同填充率的打印模型和打印時間如圖5所示。

圖5 不同填充率的模型用量和打印時間

從圖5中可以看出，當填充率＜75%時，模型材料用量和打印時間分別隨著填充率的增大而增大；當填充率為75%時，模型材料用量和打印時間分別達到最大值，分別為20.45m、5.32h；當填充率為100%時，模型材料用量和打印時間分別減小到20.26m、4.88h。當對模型強度要求不高時，應(yīng)優(yōu)先選擇低填充率；當對模型強度要求較高時，應(yīng)選擇100%填充率，可在保證模型強度的前提下，提高打印效率。

2.5 打印速度

打印速度不影響其模型材料用量和支撐材料用量。當模型放置方式為豎直，支撐結(jié)構(gòu)類型為線，分層厚度為0.2mm，填充率為15%時，不同打印速度的打印時間如圖6所示。

圖6 不同打印速度的模型用量和打印時間

從圖6中可以看出，打印時間隨著打印速度的增加而減小。打印速度為100mm/s時的打印時間比打印速度為70mm/s時減小0.23h（約5%）。當打印速度達到一定值后，如果繼續(xù)增加，噴頭產(chǎn)生機械振動，影響模型的精度；同時，擠出的絲材在噴頭高度運動下被拉成細線，出現(xiàn)“斷續(xù)”現(xiàn)象，甚至出現(xiàn)表面空缺。速度越高，噴

【】【】頭運動慣性越大，在模型邊緣會產(chǎn)生過堆積現(xiàn)象[8]。因此，當噴頭直徑和擠出速度一定時，應(yīng)合理選擇打印速度。

3 結(jié)論

1）模型放置方式的選擇應(yīng)在滿足模型的結(jié)構(gòu)、用途等需要的基礎(chǔ)上考慮模型、支撐材料用量及打印時間。XY方向截面積和Z方向高度綜合影響其打印成本。

2）與網(wǎng)格結(jié)構(gòu)支撐相比，線結(jié)構(gòu)支撐可大量減少支撐用量的同時提高打印效率。

3）當分層厚度為0.2mm，填充率為15%，打印速度為80mm/s時可滿足打印件的精度、強度等要求的同時，提高打印效率、減小打印成本。

[1] OMAR A MOHAMED，SYED H MASOOD,JAHAR L BHOWMIK. Optimization of fused deposition modeling process parameters: a review of current research and future prospects[J].Advances in Manufacturing,2015,3(1):42-53.

[2] A BOSCHETTO,L BOTTINI. Accuracy prediction in fused deposition modeling[J].The International Journal of Advanced Manufacturing Technology,2014,73(5):913-928.

[3] 范彩霞,閆存富.基于FDM的聚乳酸快速成型參數(shù)實驗研究[J].制造業(yè)自動化,2016,38(7):73-75.

[4] 馮春梅,楊繼全,施建平.3D打印成型工藝及技術(shù)[M].南京:南京師范大學出版社,2016:116-121.

[5] C W LEE，C K CHUA，C M CHEAH，et al. Rapid investment casting: direct and indirect approaches via fused deposition modelling[J].The International Journal of Advanced Manufacturing Technology,2004,23(1):93-101.

[6] A VAIRIS，M PETOUSIS，N VIDAKIS，et al. On the Strain Rate Sensitivity of Abs and Abs Plus Fused Deposition Modeling Parts[J].Journal of Materials Engineering and Performance,2016,25(9):3558-3565.

[7] 黃丹,張效迅,習武,等.基于FDM工藝的打印件成型時間與力學性能的研究[J].塑料工業(yè),2016,44(3):89-93.

[8] 陳葆娟.熔融沉積快速成形精度及工藝實驗研究[D].大連:大連理工大學,2012:1-64.

[9] 曹素紅,馬壯,魏志強.基于成型效率及用料分析的FDM實驗研究[J].鑄造技術(shù),2016,37(7):1473-1476.

[10] 朱小明.橢圓環(huán)截面SCMW齒輪FDM打印制造工藝研究[J].塑料工業(yè),2014,36(24):26-29.

Research on the infuence of printing cost on FDM parameters

LI Bin, GU Hai, LU Heng, ZHANG Jie, JIANG Jie

TQ320.6

：A

1009-0134(2017)06-0052-03

2017-03-03

南通理工學院校級科研項目（科研2015041，科研2015010）；江蘇省高校重點建設(shè)實驗室3D打印裝備及應(yīng)用技術(shù)；江蘇省三維打印裝備與制造重點實驗室開放基金項目；南通市科技平臺計劃資助項目（CP12014002）；南通市科技計劃資助項目（BK2014079）

李彬（1988 -），男，講師，碩士研究生，研究方向為快速成型技術(shù)。