王琛 訾然 陸雪億 于嘉浩

摘 要：熔融沉積制造是3D打印領(lǐng)域里應(yīng)用最廣泛的技術(shù)之一。本文對(duì)該3D打印技術(shù)的工藝原理進(jìn)行了介紹。從制作工藝角度，對(duì)使用該技術(shù)制作家具模型時(shí)出現(xiàn)的問題進(jìn)行了分析，歸納了該技術(shù)應(yīng)用于家具模型制作時(shí)的技術(shù)要點(diǎn)，以推動(dòng)該3D打印技術(shù)在家具模型制作領(lǐng)域的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：熔融沉積;家具模型;工藝研究

隨著3D打印技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越多的3D打印技術(shù)被推向市場。但由于受設(shè)備價(jià)格和材料成本的限制，目前市場上應(yīng)用最廣泛的是熔融沉積3D打印技術(shù)，以普及型桌面級(jí)設(shè)備為主。[1]相比其他3D打印技術(shù)，熔融沉積3D打印具有制作工藝簡單、材料成本低、操作簡易等特點(diǎn)。[2]一些家具制造企業(yè)的設(shè)計(jì)部門使用熔融沉積工藝，用于新產(chǎn)品的開發(fā)和家具模型的制作。本文通過對(duì)熔融沉積3D打印工藝的研究，依據(jù)實(shí)際打印經(jīng)驗(yàn)，歸納出熔融沉積工藝的技術(shù)操作要點(diǎn)，為熔融沉積3D打印在家具模型制作領(lǐng)域的應(yīng)用提供技術(shù)參考，以促進(jìn)該3D打印技術(shù)在家具模型制作領(lǐng)域的推廣。

1 熔融沉積3D打印技術(shù)

熔融沉積3D打印的工藝原理是將絲狀的熱塑性材料按指定溫度熔化，使材料保持半液體狀態(tài)。在計(jì)算機(jī)代碼的控制下，擠出頭沿零件截面輪廓和填充軌跡運(yùn)動(dòng)，同時(shí)將熔化的材料擠出，材料迅速固化，并與周圍的材料黏結(jié)。當(dāng)完成一層截面的沉積后，成型平臺(tái)下降預(yù)定高度，繼續(xù)下一層的沉積。如此重復(fù)，層層堆積完成實(shí)體模型。[3]

2 熔融沉積3D打印技術(shù)制作家具模型的技術(shù)要點(diǎn)

熔融沉積工藝在3D打印各類工藝中應(yīng)用最廣泛，但在家具模型制作中仍存在不少技術(shù)難題和自身局限性。本研究使用的是國產(chǎn)熔融沉積3D打印機(jī)，通過多次實(shí)驗(yàn)測試，觀察打印效果，分析打印問題?？偨Y(jié)出熔融沉積3D打印技術(shù)制作家具模型時(shí)需要注意的技術(shù)操作要點(diǎn)，技術(shù)操作要點(diǎn)總結(jié)如下。

2.1 模型設(shè)計(jì)要點(diǎn)

熔融沉積3D打印不適合制作細(xì)長結(jié)構(gòu)的零件。以圈椅模型的椅腿為例，當(dāng)椅腿豎直布置時(shí)，由于模型底部和打印平臺(tái)粘連的面積太小，會(huì)出現(xiàn)底座粘連不牢，導(dǎo)致模型底座脫離打印平臺(tái)，繼而模型無法打印成型。當(dāng)椅腿水平布置時(shí)，由于椅腿與打印平臺(tái)接觸面積較大，打印過程中，受打印平臺(tái)溫度和冷卻速度的影響，椅腿容易出現(xiàn)翹曲等問題。因此，熔融沉積3D打印技術(shù)不適合制作纖細(xì)輕巧的家具部件，粗壯厚重的家具部件更適合用該工藝進(jìn)行加工。模型設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)適當(dāng)將各部件的尺寸加大。同時(shí)，也需要保證整體與部件互相協(xié)調(diào)，取得整體與局部之間的比例勻稱美。

2.2 模型布置要點(diǎn)

模型布置是3D打印操作中的關(guān)鍵步驟，模型布置的好壞直接影響模型打印的質(zhì)量。熔融沉積3D打印技術(shù)的切片軟件在生成加工G代碼時(shí)會(huì)添加支撐結(jié)構(gòu)。支撐結(jié)構(gòu)的作用是輔助打印模型的懸空部分，支撐結(jié)構(gòu)多為片狀構(gòu)造。片狀構(gòu)造是為了方便拆除，但由于熔融沉積工藝支撐結(jié)構(gòu)使用的材料和模型主體材料一致，在拆除支撐結(jié)構(gòu)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生毛刺，影響模型的表面質(zhì)量。因此，使用熔融沉積3D打印技術(shù)制作家具模型時(shí)，應(yīng)盡量避免產(chǎn)生支撐。平躺的布置方式可以避免產(chǎn)生支撐結(jié)構(gòu)，從而保證模型的表面質(zhì)量。

2.3 臺(tái)階效應(yīng)

熔融沉積快速成型過程中會(huì)產(chǎn)生“臺(tái)階效應(yīng)”。[4]因?yàn)槟Ｐ捅砻嬗梢粚訉訄A形截面沉積而成，表現(xiàn)為“臺(tái)階狀”效果?！芭_(tái)階效應(yīng)”受到分層厚度和成型夾角（模型和打印平臺(tái)間的夾角）的影響。[5]分層厚度越大、成型夾角越小，臺(tái)階效應(yīng)越明顯。[6]放置位置的不同直接影響模型的成型夾角。因此，減少“臺(tái)階效應(yīng)”的優(yōu)化方案就是要增加成型夾角，尤其是體現(xiàn)模型主體外觀的曲面，增大夾角后，可以獲得最佳成型效果。

2.4 模型變形

模型變形是熔融沉積快速成型過程中經(jīng)常出現(xiàn)的問題。原因包括以下幾個(gè)方面。第一，模型的不同部分在冷卻過程中有不同的收縮率。第二，快速成型機(jī)擠出頭的側(cè)面有冷卻風(fēng)扇，導(dǎo)致模型各部位原料冷卻速度不同。優(yōu)化方案如下：首先，3D打印控制軟件中擺放模型時(shí)一般以平面作為底面，如果模型有多個(gè)平面，應(yīng)選擇面積較小的面，以減少成型材料冷卻收縮引起的變形。其次，3D打印控制軟件中布置模型時(shí)，應(yīng)盡量讓成型底面的長邊與冷卻風(fēng)扇的散熱方向保持垂直，以減少由風(fēng)扇散熱引起的冷卻不均。

3 結(jié)語

在3D打印各類工藝中，熔融沉積3D打印的成型原理最簡單，普及度最高。本文對(duì)熔融沉積3D打印技術(shù)的工藝原理進(jìn)行了分析，總結(jié)出該工藝用于制作家具模型時(shí)需要注意的技術(shù)要點(diǎn)，為使用該工藝制作家具模型提供技術(shù)參考，以推動(dòng)熔融沉積3D打印技術(shù)在家具模型制作領(lǐng)域的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王琛，于嘉浩，陸紅紅，蔣雨婷.基于快速成型技術(shù)的中國古典家具模型制作工藝研究[J].家具，2018，39（6）：40-44.

[2] 郁舒蘭，施佳露，于娜，吳成.交互式老年人手指握力康復(fù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)[J].家具，2019，41（2）：84-88.

[3] 王子軒，吳智慧.辦公環(huán)境中建筑與家具的文化體現(xiàn)[J].家具，2019，41（2）：41-45.

[4] 周季純，吳燕.圈椅的起源與發(fā)展[J].家具，2019，41（2）：62-65.

[5] 高玲玲，徐偉.縮短有限定制沙發(fā)平均生產(chǎn)周期的方法研究[J].家具，2019，41（2）：13-17.

[6] 姚月姝，祁憶青，王丹.冬季室內(nèi)有害揮發(fā)物釋放特征及防治措施[J].家具，2018，39（2）：11-14+23.

作者簡介：王琛，男，南京林業(yè)大學(xué)家居與工業(yè)設(shè)計(jì)學(xué)院實(shí)驗(yàn)師，主要研究方向：工業(yè)設(shè)計(jì)工程。