關(guān) 雷，史子木，華學(xué)兵

（浙江工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院材料工程系，浙江溫州325003）

熔絲沉積3D打印工藝問題分析及解決辦法*

關(guān) 雷，史子木，華學(xué)兵

（浙江工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院材料工程系，浙江溫州325003）

熔絲沉積3D打印機(jī)因其自身的優(yōu)勢已被各行各業(yè)廣泛使用。目前，大多數(shù)學(xué)者都在研究打印材料和控制方法等方面的問題，而對打印工藝本身的關(guān)注較少。針對熔絲沉積3D打印件常見的工藝問題，如絲材不能粘附到工作臺(tái)上、打印件頂層有孔洞和縫隙、拉絲、層片溫度過高、內(nèi)部填充不足、打印件邊緣翹曲等問題進(jìn)行了詳細(xì)的分析，并提出了有效的解決方法，供3D打印機(jī)使用者學(xué)習(xí)和參考。

熔絲沉積制造工藝；3D打印工藝；工藝問題分析

0 引言

熔絲沉積成型（FDM）是3D打印技術(shù)的一種，有成本低、操作簡單的優(yōu)勢，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、模型制作、教育等領(lǐng)域得到了越來越多的關(guān)注，其服務(wù)的社會(huì)需求量也逐年增長[1-3]。

目前，制約FDM成型技術(shù)發(fā)展的因素除了打印材料和打印設(shè)備外，還有成型過程中的穩(wěn)定性和打印產(chǎn)品的缺陷較多等問題[4]。大多數(shù)學(xué)者研究打印材料和控制方法，而對打印工藝本身的關(guān)注較少[5-6]。打印工藝不僅會(huì)影響打印件最終的表面質(zhì)量和成型精度等[6-7]，不恰當(dāng)?shù)倪x擇工藝還會(huì)造成拉絲、翹曲變形、強(qiáng)度下降等缺陷，使得產(chǎn)品報(bào)廢[8]。在多年的3D打印教學(xué)過程中，筆者遇到了各式各樣的工藝問題，在不斷學(xué)習(xí)、查找和摸索中積累了大量的經(jīng)驗(yàn)，現(xiàn)把FDM 3D打印件常見問題和解決方法總結(jié)出來，供大家參考。

1 絲材無法粘附到工作臺(tái)上

3D打印機(jī)打印工件時(shí)是從下到上逐層打印的，第一層相當(dāng)最要，是打印其它層的基礎(chǔ)。第一層能否粘附到工作臺(tái)上，決定了打印工件的成敗。如圖1（b）所示絲材無法粘附到工作臺(tái)上，解決這樣的問題，可以逐步按照如下的方法進(jìn)行調(diào)整。

1.1 檢查工作臺(tái)是否水平

幾乎每臺(tái)3D打印機(jī)的工作臺(tái)都是可以調(diào)節(jié)的，在工作臺(tái)下面至少有3顆調(diào)節(jié)螺母。通過調(diào)節(jié)這幾顆螺母可以使工作臺(tái)相對于噴嘴水平，也就是說在固定Z軸時(shí)，移動(dòng)噴嘴到工作臺(tái)上的任意一點(diǎn)，噴嘴到工作臺(tái)的距離都是相等的。如果工作臺(tái)不平，可能會(huì)導(dǎo)致工作臺(tái)一邊低一邊高，使絲材無法完全粘附到工作臺(tái)上。

1.2 確定噴嘴到工作臺(tái)的距離

在工作臺(tái)水平的情況下，絲材仍然不能粘附到工作臺(tái)上，就需要確定擠出機(jī)噴嘴到工作臺(tái)的距離。一般噴嘴距離工作平臺(tái)大約是一張A4紙的厚度，不能太近，也不能太遠(yuǎn)。太近時(shí)將導(dǎo)致噴嘴堵塞，絲材無法噴出，嚴(yán)重時(shí)還可能導(dǎo)致堵頭。太遠(yuǎn)時(shí)噴嘴噴出的絲材不能和工作臺(tái)接觸，絲材無法粘附到工作臺(tái)上?？梢酝ㄟ^調(diào)整打印機(jī)硬件或軟件參數(shù)來改變噴嘴到平臺(tái)的距離，使絲材牢牢地粘附到工作臺(tái)上。調(diào)整時(shí)要注意，每次調(diào)整的距離不要過大（0.05 mm即可），避免噴嘴過低損壞工作臺(tái)。

1.3 第一層打印速度過快

絲材從噴嘴里噴出，需經(jīng)過一段時(shí)間冷卻凝固，才能獲得較大的附著力，使絲材牢牢地粘附到工作臺(tái)上。這就意味著打印第一層的速度不能過快，打印過快絲材將無法很好的粘附到工作臺(tái)上。一般設(shè)置第一層的打印速度是其它層的一半即可，如果粘附效果不好，可以設(shè)置更慢的速度。

1.4 熱床溫度和散熱設(shè)置

打印耗材被加熱后從噴嘴噴出，粘附到工作臺(tái)上，逐漸冷卻到室溫。由于熱脹冷縮的原因，粘附到工作臺(tái)上的材料會(huì)收縮，發(fā)生卷曲，甚至脫離工作臺(tái)。使用加裝熱床、關(guān)閉散熱裝置能避免以上現(xiàn)象的發(fā)生。一般情況下打印ABS耗材熱床設(shè)置100～120℃為宜，打印PLA耗材熱床設(shè)置為60～70℃為宜。

1.5 使用工作臺(tái)貼面材料

為了使打印絲材牢固的涂覆在工作臺(tái)表面，常常將一些有利于粘附的材料固定到3D打印機(jī)工作臺(tái)表面，例如高溫玻璃、聚酰亞胺膠帶、美紋紙膠帶等[9]，當(dāng)然也需要根據(jù)打印材料的類型和打印要求選擇合適的貼面材料。

1.6 使用打印底板

當(dāng)打印的模型較小時(shí)，由于底面很小，很難牢固地粘附到工作臺(tái)表面。在大多數(shù)打印軟件中可以為模型添加底板，在模型和工作臺(tái)之間打印一個(gè)比模型大幾毫米的平面，如圖2所示，保證模型能夠打印成功。

圖2 為模型增加底板的照片

圖1 不同情況下，打印首層絲材粘附照片

2 打印件頂層出現(xiàn)孔洞和縫隙

為了節(jié)省打印耗材和時(shí)間，幾乎所有的打印件只有外殼是實(shí)心的，內(nèi)部為網(wǎng)格狀填充。內(nèi)部的網(wǎng)格狀填充支撐著外部的實(shí)心殼，這樣的結(jié)構(gòu)不但可以節(jié)省材料，而且可以保證打印件具有較好的強(qiáng)度。同時(shí)，通過設(shè)置內(nèi)部填充的密度和外殼實(shí)心層層數(shù)可以獲得不同強(qiáng)度的打印件。當(dāng)發(fā)現(xiàn)打印件頂層出現(xiàn)孔洞和縫隙如圖3所示時(shí)，可以通過如下步驟逐一排查。

圖3 打印件頂層出現(xiàn)孔洞和縫隙的照片

2.1 實(shí)心層層數(shù)不足

頂層實(shí)心層是以網(wǎng)格狀填充為基礎(chǔ)打印的，當(dāng)打印到網(wǎng)格的孔洞時(shí)實(shí)心層的絲材會(huì)掉入孔洞中，使實(shí)心層出現(xiàn)孔洞和縫隙。為保證獲得實(shí)心平整的表面，通常會(huì)打印多層實(shí)心層，一般0.5 mm厚，也就是說如果使用0.1 mm層高需要打印5層，0.25 mm就只需要2層。

2.2 填充率過低

如果增加實(shí)心層不能解決這一問題，可以嘗試提高填充率。填充率越低，打印件內(nèi)部網(wǎng)格填充中空心部分就越大，打印實(shí)心層時(shí)絲材需要跨越的空心部分就越大，就越難形成實(shí)心層。適當(dāng)提高填充率，可以保證頂部實(shí)心層的形成。填充率一般設(shè)置為30%～50%。

2.3 擠出量不足

如果增加實(shí)體層層數(shù)和填充率都不能解決頂層有孔洞和縫隙的問題，這很可能是由于擠出量不足引起的。擠出量不足是指實(shí)際擠出的絲材量較軟件中設(shè)置的值少，導(dǎo)致了頂層出現(xiàn)孔洞和縫隙。解決這一問題需要重新校正擠出量，并在固件中修改。

3 拉絲

拉絲是指殘留在打印件表面大量的塑料細(xì)絲。當(dāng)擠出頭不送絲時(shí)，從一個(gè)位置運(yùn)動(dòng)到另一個(gè)位置的過程中，高溫的耗材會(huì)從噴嘴中溢出，這樣運(yùn)動(dòng)中耗材就會(huì)被拉成像頭發(fā)絲一樣的細(xì)絲，如圖4所示打印件表面的細(xì)絲。在擠出頭運(yùn)動(dòng)過程中使送絲輪反轉(zhuǎn)將耗材拉回，可阻止耗材溢出，從而解決拉絲的問題。這一過程被叫做回抽。解決拉絲的問題可以通過如下方法。

圖4 打印件表面拉絲的照片

3.1 設(shè)置回抽距離

回抽距離是回抽過程中絲材被拉回的長度，也是回抽設(shè)置中最重要的。一般情況下，回抽距離越大，擠出頭移動(dòng)過程中耗材從噴嘴中溢出的就越少。近端擠出機(jī)設(shè)置回抽距離為0.5～2.0 mm為宜，遠(yuǎn)端擠出機(jī)設(shè)置為15 mm左右為宜。在調(diào)試回抽距離時(shí)，應(yīng)每次增加1 mm，不要一次增加過多。

3.2 調(diào)整回抽速度

回抽速度對拉絲影響很大。如果回抽速度過慢，噴嘴移動(dòng)時(shí)不僅會(huì)有絲材溢出，而且還可能影響下次的出絲。如果回抽速度過快，送絲齒輪可能磨損絲材，嚴(yán)重時(shí)還可能導(dǎo)致前端已加熱部分和后端分離。通?；爻樗俣仍O(shè)置為20～100 mm/s，但不同材料對其影響程度也不同，具體數(shù)值應(yīng)由實(shí)際測試得出。

3.3 降低打印溫度

如果回抽距離和速度更改后，仍然不能解決拉絲的問題?？梢钥紤]降低打印溫度，溫度越高，噴嘴中的耗材就越粘稠，就越容易從噴嘴中泄漏。每次降低5～10℃，不要一次降低太多，因?yàn)闇囟冗^低也會(huì)影響耗材的擠出。

3.4 增加移動(dòng)速度

通過增加擠出頭的移動(dòng)速度，可以縮短擠出頭在不同位置之間移動(dòng)的時(shí)間，這樣就可以減少耗材溢出的量，從而達(dá)到減少拉絲的效果。

4 層片溫度過高

打印絲材在擠出頭加熱部分的溫度可達(dá)到190～240℃。當(dāng)絲材從噴嘴擠出后仍然保持著高溫，高溫的絲材很柔軟，可以很容易被塑造成各種形狀。但當(dāng)絲材冷卻后就很快固化，并保持著原有的形態(tài)。在打印時(shí)需要保持加熱和散熱的平衡，絲材加熱后可以從噴嘴中流暢的噴出，快速的散熱固化可以保證打印尺寸的精確。如果打破這個(gè)平衡，將會(huì)出現(xiàn)一些打印問題，比如冷卻不充足層片過熱，將會(huì)影響打印尺寸和模型形態(tài)。如圖5所示，由于層片溫度過高，導(dǎo)致了模型頂部的畸形，破壞了打印尺寸和模型形態(tài)。出現(xiàn)層片溫度過高的現(xiàn)象，可以從以下幾點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整。

4.1 提高模型散熱效果

引起層片溫度過高最主要的原因就是對剛打印出來的層片散熱不夠。模型層片在冷卻過程中,形狀很容易改變。通過采用對模型層片快速散熱的方法，可以使剛剛被打印好的層片快速固化，保持其尺寸和形狀。如果打印機(jī)有對模型進(jìn)行散熱的風(fēng)扇，那么提高風(fēng)扇的轉(zhuǎn)數(shù)是避免層片過熱的最好辦法。

圖5 打印件層片溫度過高的照片

4.2 降低打印溫度

如果通過提高散熱風(fēng)扇轉(zhuǎn)數(shù)的方法無法解決層片溫度過高的問題?？梢試L試降低打印溫度，低溫下擠出的絲材更容易固化?？梢悦看谓档?～10℃，觀察問題是否解決。不要一次降低過多，較低溫度將使擠出機(jī)無法工作。

4.3 增加打印時(shí)間

當(dāng)打印非常小的工件時(shí)，每一層打印的時(shí)間都非常短。即便使用散熱風(fēng)扇、降低打印溫度也不能使層片迅速冷卻固化，這就需要通過暫停散熱、降低打印速度或者同時(shí)打印多個(gè)模型的方法來解決層片過熱的問題。

5 內(nèi)部填充不足

打印件內(nèi)部的填充起著連接和支撐外殼的作用，其填充的好壞將直接影響打印件的強(qiáng)度。如圖6所示，由于填充不足，打印件內(nèi)部的層與層之間出現(xiàn)了縫隙，這將影響打印件的強(qiáng)度。內(nèi)部填充不足可以從以下幾方面進(jìn)行調(diào)整。

圖6 打印件內(nèi)部填充不足的照片

5.1 更換填充圖案

通過更換填充圖案可以使內(nèi)部填充更牢固，提高模型強(qiáng)度。在打印機(jī)的分層軟件中會(huì)提供多種填充圖案供用戶選擇。有些填充圖案會(huì)更結(jié)實(shí)，例如網(wǎng)狀、三角形和固體蜂窩狀。而有些填充圖案為了提高打印速度而犧牲了強(qiáng)度，例如線狀、簡單蜂窩狀[10]。

5.2 降低填充速度

打印件內(nèi)部填充的速度較打印其它部分的速度要快。如果填充速度過快，實(shí)際需要的擠出量超過了擠出的最大量。擠出量就達(dá)不到軟件中期望的值，這樣就會(huì)造成內(nèi)部填充纖細(xì)，甚至斷斷續(xù)續(xù)，造成內(nèi)部填充不足。如果通過更換填充圖案的方法仍然不能解決內(nèi)部填充不牢固的問題，我們可以嘗試降低填充速度。

6 打印件邊角翹曲

我們打印非常大或長的工件時(shí)經(jīng)常會(huì)發(fā)現(xiàn)，起初打印的前幾層可以很好的粘附到工作臺(tái)上，但隨后這幾層的邊角就會(huì)卷起，部分脫離工作臺(tái)，使打印件變形，如圖7所示。嚴(yán)重時(shí)整個(gè)工件會(huì)脫離工作臺(tái)，導(dǎo)致打印失敗。這種現(xiàn)象是材料遇冷收縮引起的，特別是打印一些收縮率較高的材料時(shí)，這種現(xiàn)象特別嚴(yán)重，如ABS、PC、PA等。模型遇冷收縮的問題很難完全解決，但是使用以下幾個(gè)方法可有效防止其翹曲。

圖7 打印件邊角翹曲的照片

6.1 使用熱床

目前，大部分桌面打印機(jī)都配有熱床。在打印收縮率較大的材料，如ABS時(shí)可以將熱床加熱到110℃，這樣可以防止工件發(fā)生翹曲。

6.2 關(guān)閉散熱風(fēng)扇

散熱風(fēng)扇可以使打印件快速冷卻引起翹曲。所以在打印工件的整個(gè)過程中關(guān)閉散熱風(fēng)扇，有利于打印層片的保溫，這樣可以防止工件遇冷發(fā)生翹曲。

6.3 環(huán)境溫度恒定

使用熱床只能使與熱床較近的工件低層保溫，離熱床較遠(yuǎn)的層片很難被保護(hù)。因此，將打印機(jī)放入密閉的空間內(nèi)，保持恒溫更有利于阻止翹曲的發(fā)生。通常在打印容易翹曲的工件時(shí)，我們會(huì)關(guān)閉門窗甚至開啟空調(diào)來獲取一個(gè)相對溫暖的環(huán)境。而一些價(jià)格較貴的打印機(jī)會(huì)配有恒熱系統(tǒng)，可以使整個(gè)打印環(huán)境保持高溫。

6.4 增加底板

大多數(shù)切片軟件有為工件增加底板的功能，使用該功能后在工件與工作臺(tái)之間會(huì)產(chǎn)生一個(gè)較模型底面大幾毫米的底板，如圖2所示。底板可以使工件粘附的更牢固，起到減少工件邊緣翹曲的作用。

7 結(jié)語

3D打印技術(shù)給人們帶來了巨大的生產(chǎn)自由度[11]，也可能會(huì)逐漸改變?nèi)藗兊纳罘绞健?D打印機(jī)正迅猛發(fā)展并已成為一種潮流，廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)。一些由材料和機(jī)械本身帶來的故障將很快得到解決，而由工藝引起的精度和質(zhì)量問題將會(huì)得到越來越多的關(guān)注。本文對常見的打印工藝問題進(jìn)行了總結(jié)和分析，提供了一些常用的解決辦法，希望對打印機(jī)的使用者有一定的幫助。

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[10]3D matter.What is the influence of infill%,layer height and infill pattern on my 3D prints?[EB/OL].New York:3D matter.2015-3-10[2017-3-12].http://my3dmatter.com/influence-infill-layer-height-pattern/.

[11]杜鵬,王斌.淺析3D打印機(jī)的發(fā)展趨勢[J].中國科技信息,2014(7):141-143.

Analysis and Solution of FDM 3D Printing Process Problem

GUAN Lei,SHI Zi-mu,HUAXue-bing
(Department of Material Engineering,Zhejiang Industry&Trade Vocational College,Wenzhou,325003,China)

3D printer based on fused deposition modeling(FDM 3D printer)has been widely used in various fields due to its advantages.At present,most scholars are studying materials,control methods and other aspects of the printer,with less attention to the printing process itself.This paper focuses on common process problems of FDM 3D printer,such as filament not sticking to the workbench,holes and gaps in top layers,stringing,excessively high layer temperature,insufficient infill and warping.The effective solution is also provided,which is conducive to the study and reference for 3D printer users.

Fused deposition process;3D printing process;Analysis of process problem

G712

A

1672-0105(2017)03-0053-05

10.3969/j.issn.1672-0105.2017.04.012

2017-08-23

浙江省教育廳2016年度一般科研項(xiàng)目（Y201636882）；全國教育信息技術(shù)研究2016年度青年課題（166243066）；浙江工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院2017年度教師創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)專項(xiàng)課題（C170103）；浙江工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院2016年度第二期教師科技創(chuàng)新活動(dòng)計(jì)劃項(xiàng)目(G160207)

關(guān)雷，男，碩士，浙江工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院助理實(shí)驗(yàn)師，主要研究方向：3D打印機(jī)開發(fā)與應(yīng)用，納米材料合成與應(yīng)用。

李勇）