王 欣，游 穎，姜天翔，馮康瑞

(湖北工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院機(jī)器人技術(shù)研究中心，湖北 武漢 430068)

3D打印是一種基于快速成型技術(shù)的制造裝備，集合了新型材料、數(shù)字信息化、人工智能等技術(shù)特點(diǎn)[1]。自20世紀(jì)80年代誕生起，3D打印技術(shù)得到迅速的發(fā)展，并且逐漸廣泛應(yīng)用于建筑模型設(shè)計(jì)、醫(yī)療器具生產(chǎn)、航空航天器零件生產(chǎn)等領(lǐng)域[2]。與傳統(tǒng)加工方式相比，3D打印技術(shù)將三維實(shí)體加工變?yōu)殡x散堆積成形過程，降低了制造的復(fù)雜度[3]，可以準(zhǔn)確地將模型的數(shù)據(jù)信息直接導(dǎo)入機(jī)械加工設(shè)備內(nèi)，快速生成三維實(shí)體產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)工藝難以實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜零件的加工制造。3D打印技術(shù)簡化了零件的傳統(tǒng)加工工藝，使生產(chǎn)周期大為縮減[4]，適用于高效、分散式加工。而采用熔融沉積成型技術(shù)的3D打印機(jī)具有機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)備操作方便、材料成本低等優(yōu)點(diǎn)[5]。本文基于熔融沉積成型技術(shù)的3D打印技術(shù)，對從建模到零件后處理的整個(gè)過程進(jìn)行分析，總結(jié)提高工藝性能的方法，提出改善零件制造工藝的建議。

1 FDM基本原理

熔融沉積成型(Fused Deposition Modeling，F(xiàn)DM)技術(shù)是將絲狀的熱熔性材料進(jìn)行加熱融化，利用微細(xì)噴嘴的擠出機(jī)將材料擠出，根據(jù)已導(dǎo)入的模型結(jié)構(gòu)，噴頭沿X軸和Y軸的方向移動，進(jìn)行單層的加工成型；上一層模型填充完成后，工作臺則沿Z軸方向按預(yù)定的位移量下降一個(gè)厚度，依次層層堆積，最終完成整個(gè)模型的成型[6]。3D打印機(jī)器工作原理如圖1所示。

圖1 FDM工藝原理

2 3D打印工藝流程及影響因素

2.1 3D打印工藝流程

首先應(yīng)用Solidworks進(jìn)行三維建模；依據(jù)3D打印工藝，對模型結(jié)構(gòu)和工藝進(jìn)行優(yōu)化；然后采用Cura軟件處理數(shù)據(jù)，設(shè)置3D打印工藝參數(shù)；最后進(jìn)行3D打印及后處理得到模型。其打印工藝流程如圖2所示。

圖 2 3D打印工藝流程

2.2 3D打印參數(shù)對零件或產(chǎn)品工藝的影響

2.2.1 溫度對成型件的影響打印溫度和平臺溫度是指3D打印設(shè)備的噴嘴加熱絲狀材料的溫度和承載平臺的工作溫度。噴嘴的溫度決定被擠壓出來的絲狀材料的粘黏性和流動性。平臺溫度影響成型件粘黏性和成型件的熱收縮效應(yīng)。

2.2.2 填充度對成型件尺寸精度的影響填充度是指模型內(nèi)部的填充材料占整個(gè)模型體積的百分比。加工過程中，由于內(nèi)部填充度較大，模型邊界部分的材料會向外側(cè)外溢，導(dǎo)致零件尺寸精度降低。例如，內(nèi)孔實(shí)際尺寸小于理論尺寸，外圓實(shí)際尺寸大于理論尺寸等。

2.2.3 層厚對成型件的影響層厚是指切片片層的厚度。切片的每一層相當(dāng)于將斜柱體近似為直柱體，層厚越大，近似替代的誤差越大，導(dǎo)致最終模型的表面還原程度及加工的精度低。

2.2.4 打印速度對成型的影響打印速度是指加熱頭噴絲加工成型件時(shí)的移動速度。打印速度過快，成型件更容易出現(xiàn)錯(cuò)層現(xiàn)象；打印速度過慢，會延長打印時(shí)間，降低效率。因此，需要設(shè)置一定的打印速度，同時(shí)保證加工的效率和精度。

2.2.5 模型的放置姿態(tài)對成型的影響模型放置初始位置不合理，可能會出現(xiàn)違反重力作用的造型等，導(dǎo)致模型在加工過程中受力而失穩(wěn)，進(jìn)而嚴(yán)重影響工藝的完整性。

2.2.6 成型件的尺寸對成型的影響在打印機(jī)設(shè)備允許加工尺寸范圍內(nèi)的模型視為一般尺寸的模型。成型件尺寸若過大，則需要拆分成一般尺寸的模型；若成型件的尺寸過小，模型與承載平臺的接觸面較小，容易導(dǎo)致模型在被加工過程中無法保持穩(wěn)定，因此需要增加工藝輔助支撐。

2.2.7 噴嘴直徑對成型的影響噴嘴直徑是3D打印機(jī)加熱頭出料孔的直徑。噴嘴直徑是3D打印機(jī)的固有參數(shù)，它決定3D打印機(jī)噴出絲狀材料的直徑。

3 3D打印工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)

如圖3所示，打印三維模型，首先要保證成型件的尺寸在打印允許的極限尺寸之內(nèi)(包括長寬高)。若尺寸過大，則將模型拆分為符合打印機(jī)許可尺寸的若干子塊；對于不需要拆分的模型，則要考慮模型添加的支撐類型。支撐的類型分為無支撐、自動支撐和手動支撐。在切片軟件進(jìn)行切片處理時(shí)，需要考慮模型的擺放姿勢和支撐的位置[7]。

圖3 模型分類

3.1 模型拆分的一般原則

對于尺寸超過3D打印機(jī)允許工作空間的模型，則需要進(jìn)行拆分，再把拆分的部件進(jìn)行拼接，組裝成所需的模型[8]。

3.1.1 控制模型拆分的子塊數(shù)量結(jié)合3D打印機(jī)的工作范圍，確定子塊的拆分?jǐn)?shù)量，進(jìn)而對模型拆分布局。子塊的拼合會降低精度和增加后期拼接的工作量，因此應(yīng)盡量減少子塊數(shù)量。

3.1.2 增加定位結(jié)構(gòu)和連接結(jié)構(gòu)為提升子塊拼接的精度和強(qiáng)度，依據(jù)拆分子塊的拼接方式(如螺釘孔、卡扣等)和拼接位置，可設(shè)計(jì)配合連接的凸臺、凹槽等定位結(jié)構(gòu)。

3.1.3 拆分子塊的布局拆分的子塊尺寸、形狀、支撐類型、拆分位置和加工方向等因素對子塊精度和拼接有影響。為了保證成型精度和加工工藝的完整性，各拆分的子塊尺寸應(yīng)相差不大，拼接面加工方向應(yīng)一致，同時(shí)避免拼接面與輔助支撐接觸。

3.1.4 應(yīng)用實(shí)例圖4為300 mm ×300 mm的實(shí)例模型。所選3D打印機(jī)的最大加工尺寸為170 mm×170 mm。將拆分線設(shè)置在橫豎的對稱中心線位置，使拆分4個(gè)子塊尺寸相近，模型內(nèi)部增加螺釘孔和加強(qiáng)筋等結(jié)構(gòu)，在盡量不影響模型美觀的條件下，保證拼接精度和強(qiáng)度。

圖5為拆分后的子塊及輔助支撐結(jié)構(gòu)，子塊尺寸大小約為150 mm×150 mm。選擇上底面作為基準(zhǔn)面進(jìn)行加工。

圖4 模型正視圖 圖 5 子塊及輔助結(jié)構(gòu)

3.2 無需拆分的模型

各向尺寸均在3D打印機(jī)加工極限尺寸范圍內(nèi)的模型，需選擇其支撐類型。支撐類型分為手動支撐、自動支撐和無支撐。

3.2.1 無支撐的模型無支撐模型只要選擇合適的打印基準(zhǔn)面與承載平臺接觸即可進(jìn)行打印工作。模型具有于上小下大的特點(diǎn)，即整體呈現(xiàn)圓柱狀、圓錐狀或者是方體狀，底盤比較大。圖6所示模型為直徑和高度50 mm，壁厚5 mm空心圓柱，因此無需分割。該模型在不添加手動支撐的情況下可以保持自身穩(wěn)定，且不存在懸空部分。圖7為Cura切片的部分參數(shù)，圖中黑色為切片模型表面，灰色為模型某一層的截面。模型的耗材和加工時(shí)間也由軟件計(jì)算并顯示。相對于需要添加支撐的模型而言，這類模型結(jié)構(gòu)相對簡單，容易加工成型。

圖6 空心圓柱圖 圖 7 切片效果

3.2.2 自動支撐的模型模型具有懸空結(jié)構(gòu)時(shí)，在切片前需要對懸空部位下方設(shè)置支撐結(jié)構(gòu)，成型時(shí)支撐結(jié)構(gòu)與制品一同被打印。Cura切片軟件中有兩種具有支撐物料的自動支撐類型：一個(gè)是everywhere，即將模型上所有懸空部分的底部都會加上支撐作承托；另一個(gè)是touching buildplate，只是將懸空部分往下是打印平臺的地方才會加上支撐。圖8是個(gè)底部的懸空模型，通常選擇touching buildplate這種支撐類型，選取底部面為基準(zhǔn)進(jìn)行打印。

圖8 模型剖面

圖9示為Cura切片軟件中1～85層的狀態(tài)圖，中間為模型截面，灰色為線狀自動支撐截面。圖10為線狀支撐接觸的底面實(shí)物，可知與支撐接觸的表面很粗糙，無法滿足模型接觸配合的精度要求。因此，要避免支撐與高精度成型面的接觸。

圖9 模型某層切片

圖10 與支撐層接觸的底面

3.2.3 手動支撐的模型手動支撐是指人為在三維模型設(shè)計(jì)時(shí)在需要支撐的位置上直接添加支撐，以保證模型加工過程的穩(wěn)定和工藝的完整。

針對尺寸較小，與工作平臺接觸的面積小且自穩(wěn)定性和抗變形性較差的模型，需添加手動支撐。設(shè)置手動支撐需考慮以下原則：1)手動支撐要有足夠的穩(wěn)定性，輔助支撐不僅要具有自穩(wěn)定性，還需具備增加模型穩(wěn)定性的功能；2)手動支撐應(yīng)易于去除，手動支撐與模型連接的接觸面應(yīng)盡量小，在支撐與模型間增加具有導(dǎo)向功能的薄壁結(jié)構(gòu)，以最大限度地減少對模型表面的破壞；3)主動支撐宜為薄壁結(jié)構(gòu)，薄壁結(jié)構(gòu)的支撐易于噴嘴一次走過成型，既節(jié)約加工時(shí)間和材料，又可以提高打印效率。

圖11為待加工件受力示意圖。模型由圓柱(直徑10 mm，高度5 mm)和長方體(高度為15 mm)疊加而成，在保證模型成型尺寸和成型形狀要求的前提下，可選擇長方體的底面為基準(zhǔn)面進(jìn)行打印。

圖11 模型受力

由靜力學(xué)公式可得：

G=F1-F2

F·h=F2·b+G·b/2

解得：F1+F2=2F·h/b?？芍?，噴嘴對模型的水平作用力不變，降低模型的高寬比(即h/b)，有利于提高模型的穩(wěn)定性。

圖12是小尺寸設(shè)計(jì)模型，圖中h1是該模型的高，b1是該模型的長和寬，h1/b1為理論上的高寬比臨界值。打印后的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D13所示，可以明顯看到該模型完全發(fā)生形變。在加工過程中噴嘴溫度較高，并且該模型高寬比大于一定溫度下的臨界值，打印層的熱量集中導(dǎo)致將已打印好的下層材料再次融化，模型在加工過程中失穩(wěn)，最終導(dǎo)致了模型發(fā)生熱變形。

圖12 設(shè)計(jì)模型

由于高寬比大于一定溫度下的臨界值將導(dǎo)致模型加工失敗，在設(shè)計(jì)模型的時(shí)候，對于高度已經(jīng)確定的模型，通過適當(dāng)增加模型的寬度來降低模型高寬比，圖14為手動添加薄壁支撐后的模型，以正方形支撐為例：模型高度保持不變，寬度由原來的b1增大到b2(30.8 mm)，模型的高寬比由原來的2.0降低為0.65。圖15為添加薄壁支撐后的加工模型，圖16為去除支撐后的實(shí)物。圖13和圖16 的對比試驗(yàn)證明，手動添加薄壁支撐通過增加模型的寬度，不僅使3D打印機(jī)在鋪下一層時(shí)模型不會發(fā)生失穩(wěn)，提高了模型加工過程中的穩(wěn)定性，而且降低噴嘴加熱的集中，給予模型加工材料相對充足的時(shí)間冷卻，是確保小尺寸、大高寬比模型加工穩(wěn)定性和工藝完整性的有效手段。

圖13 直接加工的實(shí)物 圖14 工藝需要的模型

圖15 添加支撐的實(shí)物 圖16 除去支撐的實(shí)物

4 總結(jié)

1)根據(jù)FDM原理與3D打印工藝流程，通過優(yōu)化模型拆分和拼接工藝，實(shí)現(xiàn)對大型復(fù)雜模型的加工，提高產(chǎn)品質(zhì)量與加工的工藝性。

2)對于無需分割的模型，通過在打印過程中添加自動支撐或手動支撐，提升模型的打印質(zhì)量和成型精度。