周倩 張文平 李慶

摘 要：熔融沉積（FDM）技術(shù)是3D打印技術(shù)的一個重要發(fā)展方向。提高3D打印模型表面質(zhì)量及其性能最經(jīng)濟合理的方法就是在特定的設(shè)備軟件和硬件情況下，對于給定的3D打印系統(tǒng)，優(yōu)化其工藝過程的控制參數(shù)。本文基于熔融沉積成型（FDM）工藝，優(yōu)化了模型擺放方向、打印速度、溫度、層厚及支撐等工藝參數(shù)，打印的遙控器模型的表面質(zhì)量比之前未優(yōu)化的表面質(zhì)量顯著提高。通過后處理，使模型外觀達到了使用標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞：熔融沉積成型工藝 工藝參數(shù)

中圖分類號：D923.42 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）12（b）-00-02

3D打印技術(shù)是由產(chǎn)品的三維CAD模型數(shù)據(jù)直接驅(qū)動，組裝（堆積）材料單元而制造出任意復(fù)雜且具有使用功能的零件的科學(xué)技術(shù)[1-2]。3D打印通過逐點成線，逐線成面，疊層累加來制作模型。3D打印的原理決定了其制作的模型不可避免的存在臺階效應(yīng)，垂直于分層方向力學(xué)性能下降等缺陷。

在常規(guī)打印中，遙控器模型臺階效應(yīng)明顯，卡口處強度低，本文通過優(yōu)化FDM熔融沉積成型的打印速度、溫度、層厚、擠出流量等工藝參數(shù)，得到的遙控器模型比常規(guī)打印模型的強度和表面質(zhì)量都有所提高，通過后處理，使模型外觀達到了使用標(biāo)準(zhǔn)。

1 遙控器模型及常規(guī)打印存在的問題

為遙控器模型（如圖1所示）分為上下蓋兩部分，其上下表面均為曲率較小的曲面，選擇最大投影面方向為切片平面，選取常規(guī)打印參數(shù)，打印完成后，發(fā)現(xiàn)階梯效應(yīng)非常明顯，遙控器的上表面和下表面的表面質(zhì)量較差，且薄壁處強度較低，上下蓋裝配過程中容易斷裂（受力方向與分層方向相同），無法滿足模型驗證使用要求。

2 工藝參數(shù)優(yōu)化

切片軟件Cura本身可以自動添加支撐，但支撐類型少，且不能手動修改，故本模型先從快速成型軟件Magics中設(shè)定好如圖2所示的擺放方向，完成支撐添加，將添加好支撐的模型載入Cura切片軟件后不再添加支撐。

參數(shù)設(shè)置包含基本設(shè)置、高級設(shè)置和額外設(shè)置，3D打印工藝參數(shù)設(shè)置的合理與否直接決定著模型打印質(zhì)量。

2.1 基本設(shè)置

（1）層厚：對于大多數(shù)的FDM桌面3D打印機，普通打印質(zhì)量層厚可選0.2mm，高質(zhì)量可選0.1mm。增加層厚，打印質(zhì)量降低，打印速度提升。本模型層厚選取為0.1mm。

（2）壁厚：壁厚過薄，會影響模型打印質(zhì)量。本模型設(shè)定壁厚為1.6mm，模型實際上為實心打印。

（3）底層/頂層厚度：這個參數(shù)控制模型底層和頂層的厚度，通過層厚和這個參數(shù)計算需打印的實心層的數(shù)量，這個數(shù)值應(yīng)該是層厚的倍數(shù)。讓這個參數(shù)接近壁厚，可以讓模型強度更均勻。本模型設(shè)定為2mm。

（4）打印速度：打印速度的設(shè)置要參考很多因素，本模型選用打印速度為50mm/s。

（5）打印溫度：本模型打印材料為PLA絲材，打印溫度取210℃。

2.2 高級設(shè)置

（1）噴嘴孔徑：有0.2/0.3/0.4/0.5/0.8mm等不同的尺寸，實際應(yīng)用較多的是0.4mm，本次打印選用的打印機的噴嘴尺寸為0.4mm。

（2） 回退速度：回退絲的速度，設(shè)定較高的速度能達到較好的效果，但是過高的速度可能會導(dǎo)致絲的磨損。本模型設(shè)置為40mm/s。

（3）初始層厚：較厚的底部能使材料和打印平臺粘附的更好，一般設(shè)置比切片厚度有厚一些，本模型設(shè)置為0.3mm。

3 模型打印質(zhì)量分析

遙控器模型打印完成后，去除支撐。遙控器上下蓋表面均為曲率較小的曲面，改變擺放方向，減少分層厚度，分層厚度取0.1mm、打印速度取50mm/s、打印溫度取210℃。模型的表面質(zhì)量有較大的提高，尤其是兩個重要的外觀面，即遙控器的上下表面，臺階效應(yīng)大大降低了。從力學(xué)性能來看，由于改變擺放方向，使裝配拆卸過程中，模型的受力方向不再垂直于模型分層方向，提高了模型強度，遙控器模型在裝配拆卸過程中未發(fā)生斷裂。

4 模型后處理

用銼刀和砂紙對模型的凸凹缺陷進行修整，尤其是剝離支撐材料的位置，需要仔細(xì)打磨修整。由于本模型分層厚度選用了0.1mm，且通過合理選擇擺放方向，減少了遙控器的上下表面的切片所造成的幾何誤差，模型表面打印質(zhì)量較高，故不需要對表面進行刮膩子，直接噴漆。后處理完成后的模型如圖3所示。

5 結(jié)論

選用遙控器實例模型，運用Cura切片軟件，通過調(diào)整模型擺放方向和優(yōu)化打印成型工藝參數(shù)，對FDM模型成型過程及其成型質(zhì)量進行了應(yīng)用研究。

（1）優(yōu)化了打印速度、溫度、層厚及支撐等工藝參數(shù)，打印得到的遙控器模型的表面質(zhì)量比之前未優(yōu)化的表面質(zhì)量顯著提高。

（2）對FDM模型進行了噴漆后處理，進一步提高了模型表面質(zhì)量，其外觀達到了使用標(biāo)準(zhǔn)。在不附加任何費用的前提下，解決了在常規(guī)打印中臺階效應(yīng)明顯的問題。

參考文獻

[1] 盧秉恒，李滌塵.增材制造（3D打印）技術(shù)發(fā)展[J].機械制造與自動化，2013，42（4）：1-4.

[2] 高向陽，袁曉懿.聚焦新工業(yè)革命與增材制造[J].現(xiàn)代工業(yè)經(jīng)濟和信息化，2013（13）：8-13.

[3] 楊佳歆，鄧椅玲，肖麗娟.大學(xué)生短期支教志愿服務(wù)質(zhì)量研究[J].才智，2018（5）：64-65.