徐紹娟，胥 鵬，周 敏

(成都工業(yè)學(xué)院，四川 成都610000)

FDM(Fused Deposition Modeling)工藝即熔融沉積制造工藝，由美國(guó)學(xué)者Scott Crump 于1988 年研制成功。熔融層積成型技術(shù)是將絲狀的熱熔性材料加熱融化，同時(shí)三維噴頭在計(jì)算機(jī)的控制下，根據(jù)截面輪廓信息，將材料選擇性地涂敷在工作臺(tái)上，快速冷卻后形成一層截面。一層成型完成后，機(jī)器工作臺(tái)下降一個(gè)高度(即分層厚度)再成型下一層，直至形成整個(gè)實(shí)體造型。其成型材料種類多，成型件強(qiáng)度高、精度較高，主要適用于成型小塑料件。

在3D 打印技術(shù)中，F(xiàn)DM 的機(jī)械結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)也最容易，制造成本、維護(hù)成本和材料成本也最低，因此被廣泛地用于桌面級(jí)3D 打印機(jī)中。對(duì)個(gè)人而言可以用其打印想要的模型，對(duì)家庭而言可以用其打印實(shí)用的工具，對(duì)學(xué)校而言可以用其進(jìn)行教學(xué)科普。在中國(guó)國(guó)家工業(yè)和信息化部等3 部門發(fā)布實(shí)施的《中國(guó)制造2025》“1+X”規(guī)劃體系中，“1”是指《中國(guó)制造2025》，“X”是指11 項(xiàng)配套的實(shí)施指南[1]，這其中重要的一項(xiàng)就是增材制造發(fā)展規(guī)劃指南?？梢娫霾闹圃焯貏e是3D 打印技術(shù)將迎來歷史性發(fā)展機(jī)遇。這使得3D 打印的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，隨之而來的，就是成型過程中所產(chǎn)生的各種問題缺陷，這些問題缺陷給操作者帶來困難的同時(shí)也極大地阻礙了該技術(shù)在3D 打印中的應(yīng)用與發(fā)展。本文就FDM 技術(shù)用于3D 打印過程中各種缺陷的產(chǎn)生原因及解決方法進(jìn)行研究，降低廢品率，最大限度提高成品制件質(zhì)量。

1 3D 打印設(shè)備及原料

由于3D 打印制件成品質(zhì)量受打印設(shè)備、打印材料、打印參數(shù)、模型和環(huán)境因素等多方面因素的影響[2]，結(jié)合目前所擁有的條件，僅對(duì)在同一打印設(shè)備和材料，同一實(shí)驗(yàn)環(huán)境下的不同打印參數(shù)對(duì)缺陷產(chǎn)生的影響做研究。

本實(shí)驗(yàn)采用的打印機(jī)型號(hào)為創(chuàng)想三維公司的CR-3040S，成型尺寸為300mm*300mm*400mm，噴頭直徑為0.4mm，打印平臺(tái)可拆卸，如圖1 所示;所使用的打印材料為美國(guó)Natureworks 公司的4032D PLA(聚乳酸)原料，直徑為1.75mm;所使用的切片軟件為Cura。

圖1 CR-3040S 打印機(jī)

2 3D 打印過程中的缺陷

通過實(shí)際實(shí)驗(yàn)和資料收集，3D 打印過程中制件存在的缺陷主要有以下幾類：

(1)翹曲：打印模型底部一邊或多邊彎曲翹起，與打印機(jī)平臺(tái)分開，如圖2-a 所示。翹邊會(huì)導(dǎo)致發(fā)生翹邊現(xiàn)象的一端不能正確成型，從而致使整個(gè)打印模型報(bào)廢。

(2)模型脫落：在打印過程中模型從打印機(jī)平臺(tái)上整體脫落。模型脫落現(xiàn)象發(fā)生后會(huì)導(dǎo)致絲材擠出后不能到達(dá)指定的位置，致使模型報(bào)廢。

(3)層間位錯(cuò)：在打印過程中相鄰的兩層發(fā)生位錯(cuò)，致使層與層之間分開，如圖2-b 所示(脫落，底板位移，噴頭位移等)。

(4)坍塌：模型在打印過程中某層發(fā)生塌陷，導(dǎo)致模型不成型，如圖2-c 所示。

(5)拉絲：在本不應(yīng)該填充絲材的地方仍有絲材送出，如圖2-d 所示。難以徹底去除，影響模型的美觀，浪費(fèi)材料。

(6)斷絲：打印所用的絲材發(fā)生斷裂。如未及時(shí)發(fā)現(xiàn)，將會(huì)導(dǎo)致打印機(jī)“空打”，最終打印過程不能正常進(jìn)行，未成型模型報(bào)廢。

(7)附著底板與模型粘連。如圖2-e 所示，影響模型的美觀，對(duì)于工具模型來說，還會(huì)影響其使用性能。

(8)打印支撐與模型粘連。如圖2-f 所示。

圖2 各類缺陷圖示

3 缺陷原因分析

通過設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行觀察分析，各類缺陷產(chǎn)生原因如下：

3.1 翹曲

(1)由于底板溫度過低導(dǎo)致冷縮現(xiàn)象加劇，從而出現(xiàn)翹邊現(xiàn)象。

(2)可能是由于美紋紙重疊粘貼導(dǎo)致美紋紙對(duì)底板的粘合力減小，從而出現(xiàn)翹邊。在實(shí)際試驗(yàn)中觀察到，翹邊現(xiàn)象幾乎全部都發(fā)生于兩張美紋紙重疊粘貼的部分，測(cè)試發(fā)現(xiàn)，美紋紙對(duì)底板的粘合力遠(yuǎn)大于美紋紙對(duì)美紋紙的粘合力。

(2)與擺放位置有關(guān)。在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)當(dāng)模型處于同一張美紋紙上而不是在重疊粘貼處時(shí)，少有發(fā)生翹邊現(xiàn)象。

(3)一次性打印的模型過多，導(dǎo)致打印時(shí)間增長(zhǎng)，增加了翹邊的幾率。

(4)噴頭與打印平臺(tái)之間的距離過小，導(dǎo)致附著板未能正確打印成型。

3.2 模型脫落

(1)模型與打印機(jī)平臺(tái)之間的附著力小。

(2)打印的模型與打印機(jī)平臺(tái)的接觸面積小，不足以支撐模型，從而脫落。

3.3 層間位錯(cuò)

(1)打印機(jī)平臺(tái)在打印過程中發(fā)生移位，導(dǎo)致模型與噴頭之間的位置發(fā)生變化。

(2)噴頭在打印過程中丟步或因?yàn)槠渌蛩匚茨艿竭_(dá)正確位置，導(dǎo)致模型與噴頭之間的位置發(fā)生變化。

(3)模型發(fā)生脫落。

3.4 坍塌

噴頭溫度過高，打印速度過快，在前一層絲材還未完全凝固成型的時(shí)候下一層的絲材就在其上擠出，導(dǎo)致這兩層及后面各層都不能正確成型，整體呈現(xiàn)一種坍塌的形狀。

3.5 拉絲

理論上，模型成型過程材料皆為連續(xù)堆積不需要噴頭懸空移動(dòng)時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)拉絲現(xiàn)象; 堆積過程需要噴頭懸空移動(dòng)時(shí)，在移動(dòng)的過程中打印機(jī)會(huì)停止送材，但位于噴頭處的絲材在高溫環(huán)境下處于彈性狀態(tài)，會(huì)自然地向下滑落，附著在噴頭附近，并隨著噴頭懸空移動(dòng)將絲材拉扯至絲狀，形成拉絲現(xiàn)象[3]。

3.6 斷絲

主要原因?yàn)榇蛴〗z材質(zhì)量出現(xiàn)問題。由于打印絲材多為PLA、ABS 等高分子材料，均具有一定的吸濕性。以PLA 為例，保存在真空袋中的PLA 絲材保質(zhì)期在兩年左右，而當(dāng)PLA 存放于暴露的環(huán)境中時(shí)，大概3-6 個(gè)月后開始逐漸變脆，停機(jī)狀態(tài)下，擠出機(jī)導(dǎo)管內(nèi)的余料都會(huì)自然斷裂成小段。雖然PLA 不溶于水，但其吸水率高。當(dāng)暴露于空氣或水中時(shí)，會(huì)導(dǎo)致PLA 趨向變質(zhì)。

3.7 附著底板與模型粘連

(1)底板加熱溫度過高，導(dǎo)致附著板在打印過程中一直保持較高溫度，模型絲材擠出后不能快速冷卻，從而與附著板粘連。

(2)打印速度過快，導(dǎo)致附著板還未及時(shí)冷卻，模型絲材就已經(jīng)擠出。

3.8 打印支撐與模型粘連

打印速度過快，溫度過高，由于支撐和模型在同層上是一起打印的，所以在模型和支撐接觸的地方極易粘連。

4 缺陷解決方法

通過對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析總結(jié)，提出各缺陷的解決方法如下：

(1)翹曲：對(duì)底板進(jìn)行預(yù)熱，并在打印過程中保持預(yù)熱溫度;將美紋紙并排粘貼，使兩條相鄰美紋紙之間沒有重疊的部分;在模型尺寸合適的前提下盡量將模型放在一張美紋紙且不是重疊的區(qū)域;減少一次性打印的模型;通過文獻(xiàn)查閱以及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在打印噴頭溫度為200℃，打印速度為30mm/s 和成型室溫度為35℃的條件下，成型件精度較高，表面較光滑，翹曲變形不太嚴(yán)重[4]。

(2)模型脫落：在打印平臺(tái)上面粘貼美紋紙，增大模型與底板之間的粘合力;增大模型與打印平臺(tái)之間的接觸面積，可通過更換打印方向或者在建模時(shí)在模型底部添加一個(gè)大面積的底板解決。

(3)層間錯(cuò)位：該缺陷主要是由于已校準(zhǔn)的噴頭和平臺(tái)或模型之間發(fā)生不應(yīng)出現(xiàn)的位移導(dǎo)致，解決辦法主要是在打印過程中盡量保持機(jī)器的平穩(wěn)運(yùn)行，防止外界因素對(duì)已校準(zhǔn)的打印機(jī)產(chǎn)生影響。

(4)坍塌：適當(dāng)降低打印速度以及打印溫度即可。

(5)拉絲：實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，回抽距離對(duì)拉絲現(xiàn)象影響最大，回抽距離越大時(shí)拉絲現(xiàn)象越少，所以當(dāng)出現(xiàn)拉絲現(xiàn)象時(shí)，應(yīng)適當(dāng)調(diào)高打印機(jī)的回抽距離。經(jīng)文獻(xiàn)查閱和實(shí)驗(yàn)，回抽速度50mm/s，回抽距離6mm，回抽后再擠出補(bǔ)償長(zhǎng)度0.5mm，打印溫度185℃時(shí)打印模型，模型表面質(zhì)量最優(yōu)。

(6)斷絲：在使用長(zhǎng)期開袋未使用完的材料打印之前可以通過多次彎折小段材料來判斷材料的性能，如一折就斷，那么材料已發(fā)生較為嚴(yán)重的變質(zhì)，在打印的過程中就極容易斷絲;如未能折斷，則材料的性能較為完好，可以繼續(xù)使用。

(7)附著底板與模型粘連：降低底板加熱溫度;降低打印速度。

(8)打印支撐與模型粘連：降低模型的打印溫度;降低打印速度，使得絲材擠出后有足夠的時(shí)間冷卻凝固。

5 結(jié)束語

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)研究分析，要獲得綜合性能好、無缺陷的3D 打印制件，不僅要結(jié)合打印的條件如設(shè)備、材料、模型、環(huán)境等，還要選擇合適的工藝參數(shù)組合，包括打印速度、打印溫度、模型擺放、擠出層高等，并應(yīng)在打印過程中密切關(guān)注模型質(zhì)量，一旦發(fā)現(xiàn)缺陷應(yīng)及時(shí)停止，并針對(duì)缺陷進(jìn)行分析，調(diào)整打印參數(shù)，以獲取性能良好的打印制件。本文就基于FDM 技術(shù)的3D 打印制件常出現(xiàn)的幾類缺陷的原因和解決方法做出了研究分析，為FDM 技術(shù)的推廣應(yīng)用以及相關(guān)的操作人員提供參考。