虎 成，杜銀學(xué)，周子翔，劉 軼

（共享智能鑄造產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新中心有限公司，寧夏銀川 750021）

FDM即為熔融沉積成型，是3D 打印技術(shù)的一種，在3D 打印領(lǐng)域有著至關(guān)重要的地位。在整個(gè)3D 打印過(guò)程中，F(xiàn)DM 設(shè)備將材料加熱熔融至半流體狀態(tài)時(shí)，按照零件截面輪廓軌跡擠壓出來(lái)，材料迅速凝固成型為有輪廓的薄層，層層堆積形成整個(gè)三維零件。

由于人們對(duì)快速成型技術(shù)的渴望，近年來(lái)FDM打印技術(shù)飛速發(fā)展。人們通過(guò)三維軟件設(shè)計(jì)出自己想要的三維模型，就能用FDM打印機(jī)快速生產(chǎn)出對(duì)應(yīng)產(chǎn)品而無(wú)需模具，縮短生產(chǎn)周期，同時(shí)為人們提供了極大的方便。桌面級(jí)FDM打印機(jī)和工業(yè)級(jí)FDM 打印機(jī)能夠打印不同尺寸的三維模型，滿足了大部分人對(duì)產(chǎn)品的定制需求。通常情況下，打印頭只會(huì)在XY 軸運(yùn)動(dòng)結(jié)束后，才會(huì)在Z 軸運(yùn)動(dòng)進(jìn)行下一步動(dòng)作，導(dǎo)致當(dāng)打印花瓶等殼體類(lèi)產(chǎn)品，打印頭會(huì)不斷的非擠出移動(dòng)、非連續(xù)Z 軸變化等，進(jìn)行不必要的打印動(dòng)作并造成打印缺陷。為解決上述問(wèn)題，需要改善傳統(tǒng)的打印工藝和方法，以滿足高效快速成型需求。

1 單螺旋打印方法

FDM 打印機(jī)打印頭的運(yùn)動(dòng)軌跡均由切片軟件輸出的G-M代碼文件控制，所以為了達(dá)到殼體零件螺旋快速成型效果，需要修改切片軟件或者G-M代碼運(yùn)動(dòng)控制文件，使其能夠單螺旋打印零件輪廓部分，即在XY 面打印零件輪廓線條的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)Z 軸運(yùn)動(dòng)變化的控制。此方法打破常規(guī)FDM打印逐層打印的界限，零件整體打印連續(xù)快速，將不會(huì)有不必要的打印動(dòng)作。

2 總體設(shè)計(jì)過(guò)程

2.1 數(shù)據(jù)分析

切片軟件導(dǎo)入三維模型文件后，文件可以是STL 或者OBJ 等三維模型數(shù)據(jù)格式，通過(guò)切片處理技術(shù)，將三維模型沿著Z 軸高度，按照設(shè)定好的層厚，逐層將三維模型切片，切片后獲取到每層切片的二維輪廓線條數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)是后續(xù)計(jì)算處理的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。同時(shí)分析該數(shù)據(jù)，如果同層具有兩個(gè)或者兩個(gè)以上二維圖形數(shù)據(jù)體，則該模型不適合單螺旋打印方法；如果只有一個(gè)二維圖形數(shù)據(jù)體，則適合使用該方法快速打印成型。圖1 為扭三棱柱產(chǎn)品示意圖，殼體底部適合傳統(tǒng)的FDM打印方法，側(cè)壁則適合單螺旋打印方法。

圖1 扭三棱柱產(chǎn)品示意圖

2.2 產(chǎn)品底層處理

為了滿足零件底部正常打印成型需求，底部采用一般FDM打印參數(shù)控制，主要參數(shù)有底層層數(shù)、輪廓圈數(shù)、輪廓間距、填充線間距、填充線和輪廓間距等，按照常規(guī)打印方法打印即可，打印路徑如圖2 所示。

圖2 扭三棱柱底面打印路徑圖

2.3 單螺旋打印部分計(jì)算

完成底層處理后，開(kāi)始計(jì)算處理單螺旋打印成型部分。按照逐層疊加路徑輸出底面和或頂面的打印代碼，這里設(shè)定底面的分切層數(shù)為N、層厚為D，其中層厚的單位為毫米。

步驟一：計(jì)算第N+1 層的沿周輪廓周長(zhǎng)L，將連續(xù)的沿周輪廓用各個(gè)緊密相連的離散點(diǎn)來(lái)表示，具體為（x1，y1），（x2，y2），（x3，y3）......（xm，ym），以設(shè)定的二維離散點(diǎn)來(lái)表示第N+1 層的沿周輪廓的周長(zhǎng)L，如公式1。

步驟二：計(jì)算沿周輪廓上個(gè)離散點(diǎn)在高度方向的移動(dòng)距離Z，具體地，當(dāng)打印頭需要從第k 點(diǎn)移動(dòng)到第p 點(diǎn)時(shí)，需要上升的高度方向的距離zp可按照公式2 計(jì)算，同時(shí)在此高度方向移動(dòng)過(guò)程中打印頭的進(jìn)給量ap可按照公式3 計(jì)算，其中公式3 中S 為擠出螺桿截面積，ρ 為流通系數(shù)。

步驟三：計(jì)算打印頭從當(dāng)前層n 移動(dòng)到p 點(diǎn)，在螺旋上升高度方向上的絕對(duì)移動(dòng)距離Zp，按照公式4 計(jì)算。

步驟四：計(jì)算打印頭從當(dāng)前層n 移動(dòng)到p 點(diǎn)，在螺旋上升高度方向上打印材料的絕對(duì)進(jìn)給量Ap，按照公式5 計(jì)算。

2.4 運(yùn)動(dòng)控制輸出

FDM 采用標(biāo)準(zhǔn)的G-M 機(jī)床控制代碼控制FDM設(shè)備進(jìn)行打印，主要的控制語(yǔ)句有：

單螺旋和常規(guī)的FDM 打印運(yùn)動(dòng)控制語(yǔ)句相比，在螺旋快速打印部分，每句控制語(yǔ)句除了X 和Y 軸的移動(dòng)變化外，還有Z 軸的變化控制，用以達(dá)到逐漸改變Z 軸實(shí)現(xiàn)螺旋效果，和常規(guī)打印完每層然后改變Z 軸高度效果區(qū)別明顯。打印頭從k點(diǎn)運(yùn)行到p 點(diǎn)的控制語(yǔ)句，其格式為：

圖3 扭三棱柱螺旋打印路徑圖

2.5 其他切片軟件輸出二次處理

針對(duì)無(wú)法集成上述算法的切片軟件，可以通過(guò)對(duì)切片軟件輸出的G 代碼進(jìn)行二次處理，將需要單螺旋打印的部分依據(jù)上述原理，分析處理成可以支持螺旋打印的機(jī)床代碼控制文件。

其主要的過(guò)程是：（1）提取模型的第一圈外輪廓打印數(shù)據(jù)；（2）計(jì)算該輪廓數(shù)據(jù)的周長(zhǎng)；（3）根據(jù)周長(zhǎng)平分每次移動(dòng)中高度方向的變化值；（4）根據(jù)XYZ 移動(dòng)值計(jì)算A 值擠出量；（5）刪除原先本層打印數(shù)據(jù)，最后依據(jù)上述重新輸出G 代碼，控制完成打印。

3 結(jié)論

針對(duì)殼體類(lèi)產(chǎn)品，如花瓶、花盆、酒瓶、杯子、盒子、球體等各類(lèi)容器結(jié)構(gòu)產(chǎn)品，可將常規(guī)的逐層疊加打印路徑調(diào)整為螺旋上升打印路徑，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)不斷的打印，并通過(guò)設(shè)置螺旋上升打印路徑的算法，實(shí)現(xiàn)了此方法的工業(yè)化應(yīng)用，避免了逐層疊加打印需要打印頭停止工作和跳轉(zhuǎn)打印頭位置來(lái)打印造成的打印斷續(xù)、效率低、易發(fā)生拉絲等問(wèn)題。

同時(shí)在打印所述殼體類(lèi)產(chǎn)品的底面和頂面時(shí)，通過(guò)采用先打印外沿輪廓，后以往復(fù)打印路徑方式填充內(nèi)部結(jié)構(gòu)的方式，也在最大限度上避免了打印頭停止工作和跳轉(zhuǎn)的次數(shù)，提升了打印效率。

該方法突破了3D 打印逐層逐面打印的傳統(tǒng)限制，將每層的二維圖形的點(diǎn)和線逐個(gè)沿高度方向拉伸，實(shí)現(xiàn)了Z 軸高度方向的螺旋疊加，雖然不可避免的會(huì)損失部分精度，但仍可在工藝品等打印外表質(zhì)量要求大于精度要求的方面廣泛應(yīng)用推廣。