謝韋蓮， 鐘雄權(quán)

（1.廣東工業(yè)大學實驗教學部，廣州510006；2.廣州市醫(yī)藥職業(yè)學校，廣州 510430）

0 引言

隨著社會的發(fā)展，市場競爭對產(chǎn)品的新設計與制造提出風險為零要求的同時，也要求大大縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，快速地將新產(chǎn)品打入市場，以滿足傳統(tǒng)的加工模式無法滿足的市場需求［4］。 快速成型（ Rapid prototyping，RP）技術(shù)，俗稱3D打印技術(shù)，它突破了傳統(tǒng)的“毛坯→去除多余余量→零件”工序模式，是一種無需刀具、夾具和機床就可以根據(jù)零件的三維模型數(shù)據(jù)，經(jīng)成型設備以自下而上的連續(xù)分層堆積去制作形狀極為復雜的工件的技術(shù)。

至今為止，全世界已經(jīng)研發(fā)出多種不同的快速成型方法和工藝，其中熔融擠壓快速成型技術(shù)（Melted Extrusion Modeling，MEM）就是一種重要RP技術(shù)，原理相近于熔融沉積成型（ Fused Deposition Modeling，F(xiàn)DM）［8］。 目前，市場最新推出桌面級MEM三維打印設備，機身簡潔，性能完備，操作簡單，低噪，安全、環(huán)保，無需特別的裝置，不占空間，在加工過程中用戶可以直觀地觀賞到有數(shù)字模型轉(zhuǎn)變?yōu)榱Ⅲw實物的整個過程，它是疾速成型技能在小型3D打印運用的產(chǎn)物，可方便地直接打印各類模型，可用于小型產(chǎn)品打樣、模型制作、零件加工、教學實踐及個人DIY中，讓體驗者通過親自操作，實現(xiàn)將設計變?yōu)閷嶓w的夢想，滿足DIY愛好者制作工藝品、工程師測試及提升早期的設計水平、建筑師制作精美模型，從而節(jié)約時間和成本等。

1 桌面級MEM成型技術(shù)的工作原理

熔融擠壓成型（MEM）是指將熱塑性材料，如蠟、ABS、PC、尼龍等，在噴頭內(nèi)加熱熔化，然后通過擠壓頭輸出，材料迅速固化，并與前一個層面熔結(jié)在一起，一層層自下而上依照計算機中的3D模型堆積成型［7］。在每一個層片堆積過程中，上一層對當前層起到定位和支撐的作用。隨著高度的增加，如果上層截面區(qū)域與下層截面區(qū)域具有懸空的結(jié)構(gòu)和形狀時，上層輪廓已經(jīng)無法提供足夠的定位和支撐作用［3，7］，此時，在成型過程中需要對該部分增加一些輔助支撐結(jié)構(gòu)，軟件可根據(jù)需求主動生成支撐物，確保支撐輔佐3D打印順利完成，打印完成后去掉支撐物即可［7］。其工作原理如圖1所示。

圖1 桌面級MEM工作原理

2 桌面級MEM成型技術(shù)特點

桌面級MEM成型技術(shù)之所以嶄露鋒芒，越來越受人們的關(guān)注，主要因為它具有其他成型方法所不具有的許多優(yōu)點：1）沒有采用激光系統(tǒng)，成本廉價，與幾十萬甚至數(shù)百萬的專業(yè)級3D打印相比，一般每臺只需數(shù)萬元，低的甚至只數(shù)幾千元，維護成本低，可滿足大眾消費水平。2）操作簡單，無毒無味，環(huán)保，無噪音，設備占用面積小，適合于辦公室、家庭環(huán)境中使用。3）插入式材料輸入，絲材清潔，容易更換、保存，在設備中或附近不會形成粉末或液體污染。4）后處理簡單，無需化學清洗，僅需要幾分鐘到一刻鐘的時間剝離支撐后，原型即可使用［9］。5）可直接制作彩色原型。

當然，桌面級MEM成型技術(shù)與其他快速成型技術(shù)相比，也存在許多缺點：1）成型件的表面有較明顯的條紋，打印出來的產(chǎn)品會有很明顯的分層感。2）需要設計與制作支撐結(jié)構(gòu)。3）使用材料范圍受到限制，對于桌面級的產(chǎn)品來說，目前能使用的材料還僅限于塑料，而工業(yè)級的3D打印機可以用于打印的材料已經(jīng)較為豐富，比如塑料、金屬、玻璃，甚至可以打印類似木材的材料。4）精度較低，一般精度為±0.02 mm，而工業(yè)級打印機的精度則可以精確到幾微米，多用于打印原型精度和物理化學特性要求不高的模型。

3 桌面級MEM技術(shù)實際應用

結(jié)合實驗室的UP！3D桌面級打印機，根據(jù)成型技術(shù)特點，下面以手機保護套作為打印測試件，體驗設計變?yōu)閷嶓w的效果，并展示打印過程及對桌面級3D打印相關(guān)參數(shù)進行分析，可為廣大愛好者提供一定的參考。其基本的工藝過程可表達為：三維軟件建立設計產(chǎn)品的實體模型（保存成STL格式）→前處理（選擇材料、工藝參數(shù)設置等）→實際加工制造→后處理（去除支撐材料等）。

3.1 建立三維模型及生成STL格式

圖2 手機保護套模型2D圖樣與三維造型

3D打印機在打印一個模型之前，必須先進行3D建模，通過手機保護套二維圖樣，使用三維造型軟件進行三維建模設計，如圖2所示。目前，STL格式是快速成型領域標準的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換格式，幾乎所有CAD系統(tǒng)都支持生成STL格式［2］，并且由于UP！3D打印機僅支持STL格式和UP3格式的文件，因此建模完成后，將已經(jīng)完成設計的模型生成STL格式，具體過程為：File（文件）→Save As（另存為）→選擇文件類型為STL。

3.2 載入手機保護套模型

打開UP！軟件，載入手機保護套模型，可以通過旋轉(zhuǎn)、自動布局等指令將模型工件確定合適的方位，通常通常遵循以下幾個依據(jù)：1）考慮模型表面精度；2）考慮模型強度；3）考慮支撐材料的施加與成型所需要的時間［9］。其中考慮模型強度更為重要，一般選取模型的最大表面作為支撐接觸面，以方便成型加工，保證工件質(zhì)量。如圖3（a）、（c）、（d）所示，在打印過程需要使用更多的支撐材料或者模型強度不足，并且支撐難以移除，提高后處理難度，對零件的支撐部分質(zhì)量產(chǎn)生嚴重的影響，有可能會產(chǎn)生廢品，同時加工時間較長，影響效率。本次測試選擇如圖3（b）所示，打印面朝上，需使用材料20.5g，打印時長1h15min，使用支撐材料少，節(jié)約加工時間與成本，并且大大提高了工件表面質(zhì)量［6］。

圖3 擺放方位確定方案

3.3 確定3D打印參數(shù)

前處理是快速成型制造的重要內(nèi)容，其加工材料的選擇、工藝參數(shù)設置的合適與否直接關(guān)系到制件的質(zhì)量以及能否成型。因此前處理顯得十分重要，現(xiàn)根據(jù)MEM快速成型技術(shù)的特點，并結(jié)合本次試驗的實際情況，分析參數(shù)設置對制件的質(zhì)量影響等。

1）選取ABS材料。根據(jù)產(chǎn)品品質(zhì)及要求，選擇符合工藝要求的打印材料。本次打印模型使用黃色ABS材料，是由于該材料具有良好的粘結(jié)性，耐久性，強度較高，無毒、無味，兼有韌、硬、剛的特性，原型強度可達到注塑成型的80%，成型后的產(chǎn)品無內(nèi)應力，不變形，精度較高，同時在打印時可根據(jù)用戶愛好、市場需求選擇不一樣色彩的ABS材料作為原材料打?。?］。

2）調(diào)整噴頭與平臺之間的距離。為了保證打印時模型與打印平臺粘結(jié)正常，防止噴頭與工作臺碰撞對設備造成損害，在打印之前調(diào)整好噴頭與平臺之間間隙，間隙大約為0.2 mm［6］，如圖 4 所示。

圖4 噴頭與平臺間距

3）設置合理的工藝參數(shù)。UP！3D打印機在打印模型時，首先要設置合適的工藝參數(shù)，工藝參數(shù)的設置直接影響到工件的質(zhì)量以及能否成型，它主要的相關(guān)設置包括層片厚度、基底高度、密封表面、填充、支撐等。

層片厚度：層片厚度選擇越小，得到的工件表面質(zhì)量越高，但是成型時間也較長，反之分層厚度越大，制件的精度越低，生產(chǎn)效率也較高［2］。

密封表面：表面層決定打印底層的層數(shù)，如設置成2，那么在打印實體模型之前會打2層，打印完成后將其去除，保證工件與平臺之間接觸面的質(zhì)量。角度表示如果打印時，工件水平成型角度大于設置角度，系統(tǒng)會自動添加支撐［6］。

支撐：設定密封層主要為了避免模型主材料凹陷入支撐網(wǎng)格內(nèi)，因此在接近主材料被支撐的部分要做數(shù)層密封層［6］。在添加支撐時，對于支撐也需要進行參數(shù)設置，支撐間隔越大，支撐材料越好去除，間隔越小，對模型本身的拉力就越大。在使用支撐材料時，系統(tǒng)會根據(jù)選擇支撐角度的大小，來設置模型支撐多少，當大于選取角度時，支撐材料才會被使用，角度越大，支撐的材料越多。如圖 5 所示［6］，支撐角設為 10°明顯比支撐角設為 50°節(jié)省材料，因此在保證制件質(zhì)量的前提下，盡量選取較小的支撐角度。

圖5 支撐角度

圖6 填充內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)

填充：填充一共有4種內(nèi)部支撐選項，填充密度越小，成型的工件越堅固，成型時間也相應越長。 如圖 6 所示［6］，填充的密度越大，制件內(nèi)部網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的間距相應變大。

其他參數(shù)：在打印時選擇穩(wěn)固支撐，加工時支撐會比較穩(wěn)固，模型不易被扭曲變形，但是在去除支撐材料時比較困難，制件表面質(zhì)量也會受到影響［6］。如果制件為實體時，在制件強度要求不高的條件下可選擇“shell”選項，此時制件內(nèi)部為空心，外部壁厚大約1.5 mm，大大縮短加工時間及節(jié)約成本。

根據(jù)上述工藝參數(shù)分析，本文手機保護套模型工藝參數(shù)如圖7所示。

圖7 手機保護套模型工藝參數(shù)

3.4 三維打印

采用數(shù)據(jù)線將電腦與UP！3D快速成型機連接，將數(shù)據(jù)傳輸入成型機中，快速成型系統(tǒng)自動將零件的高度尺寸分成若干層，每一層疊加的厚度為0.2 mm，從底層開始，分層制造，層疊堆積完成模型打印，如圖8所示。打印結(jié)束后，先將工件從平臺上取下來，用小鏟子小心取出原型，并借助小工具將支撐結(jié)構(gòu)去除，避免破壞零件。由于熔融擠壓的成型工藝，手機保護套的表面能看出層層堆積的紋理，但不影響使用，并且ABS強度較高，裝上去后對手機起到較好的保護作用。

圖8 手機保護套加工過程及模型成果

4 結(jié)語

隨著3D打印發(fā)展進入新的階段，3D打印機已不再是設計師和科學家的專屬品，它已經(jīng)從工廠和實驗室逐漸走出，也標志著3D打印機大眾消費市場的來臨，桌面級3D打印機將來可能如計算機一樣進入日常工作、家庭中，與我們每個普通人的生活息息相關(guān)，它能夠快速打印出各種各樣的模型，如玩具、配件、創(chuàng)意模型等。盡管桌面級3D打印制件精度較低，僅僅能夠滿足模型愛好者、設計公司、小型工廠的疾速模型打印需求，但是其發(fā)展卻異常迅猛，受到人們的廣泛重視，將來依然有較大的改善空間，如：更加美觀的外形、更簡便的調(diào)試與保護、更快的打印速度、更高的打印精度，更多不一樣色彩，不一樣材料介質(zhì)打?。?］。

［參考文獻］

［1］陸裴.MEM快速成形系統(tǒng)研究及教學探索［J］.機械制造與自動化，2005（ 6）：36-38.

［2］孟婷婷，孔慶玲.熔融擠壓快速成型技術(shù)在制造業(yè)中的應用［J］.黑龍江科技信息，2013（ 23）：16.

［3］紀珍從.MEM 支撐工藝參數(shù)的研究［J］.機械工程師，2008（4）：92-93.

［4］陳志群，翁錦榕，嚴家麟.新一代快速成型系統(tǒng)－融積成型系統(tǒng)FDM1650［ J］.機電一體化，1996（ 6） ：9-11.

［5］曾亮華.基于鼠標的FDM快速成形實驗研究［J］.價值工程，2012（ 24） ：210-212.

［6］UP！三維打印機用戶使用手冊［M］.北京太爾時代科技有限公司，2012.

［7］九五3D網(wǎng).3D打印機評測［EB/OL］.http：//www.953d.com/article-17-1.html.

［8］安芬菊，師文慶.基于MEM技術(shù)的概念車身模型的制造［J］.機電工程技術(shù)，2008，37（ 5） ：30-31.

［9］王廣春，趙國群.快速成型與快速模具制造技術(shù)及其應用［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2013.