孫維澤

（貴州航天職業(yè)技術(shù)學(xué)院，貴州遵義 563000）

1 FDM 式增材制造技術(shù)介紹

增材制造（Additive manufacturing）即3D 打印技術(shù)，起源于20 世紀80 年代，是一種快速成型技術(shù)，是相對于傳統(tǒng)“減材制造”技術(shù)的一個概念。其基本原理是離散—堆積原理，如圖1 所示，先以數(shù)字模型為基礎(chǔ)，Z 向切片，運用粉裝金屬或塑料等材料逐層堆積，從而制作物體。該技術(shù)的工藝主要由應(yīng)用材料決定，不同材料決定了不同的成型工藝，存在著很多不同技術(shù)。不同的材料構(gòu)建物體的方式也不同，目前主流技術(shù)包括SLA（立體平板印刷）、FDM（熔融沉積式）、LOM（分層實體制造）以及SLS（選擇性激光燒結(jié)）等4 種技術(shù)。FDM 式增材制造技術(shù)是目前國內(nèi)高職院校引進運用最為廣泛的3D 打印制造技術(shù)之一，其累積技術(shù)為熔融沉積式，打印材料主要有PLA、ABS 等熱塑性材料。原理是將絲狀材料迅速加熱，使其融化通過噴嘴流出，計算機根據(jù)模型離散結(jié)果信息控制噴嘴運動軌跡，將材料逐層堆積，塑料快速冷卻，從而打印制作模型。

圖1 離散—堆積原理

2 FDM 式增材制造技術(shù)在職業(yè)院校中的應(yīng)用情況

近年來，隨著3D 打印成本的大幅下降，技術(shù)日趨成熟，已廣泛運用于各行各業(yè)。在3D 打印產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用端，人才需求量極大，職業(yè)院校承擔(dān)著3D 打印技術(shù)應(yīng)用型人才培養(yǎng)基地的作用。

FDM 式3D 打印設(shè)備相對其他類型的3D 打印技術(shù)，具有結(jié)構(gòu)簡單、操作環(huán)境干凈、材料清潔無毒、安全性能高、設(shè)備以及材料便宜等優(yōu)勢，同時在國內(nèi)外FDM 式3D 打印技術(shù)所應(yīng)用的切片軟件都是開元的，完全適合在職業(yè)類院校孕育發(fā)展。在行業(yè)背景及相關(guān)職能部門的推動下，該技術(shù)已經(jīng)廣泛運用于各職業(yè)院校。全國各地方教育機構(gòu)及機械行指委都有承辦3D 打印技術(shù)技賽項的技能大賽。多數(shù)職業(yè)院校機械制造及自動化專業(yè)、數(shù)控技術(shù)專業(yè)等機械類專業(yè)都已開設(shè)3D 打印相關(guān)課程，部分職業(yè)院校開辦了3D 打印技術(shù)專業(yè)。該技術(shù)開始在職業(yè)院校的機械創(chuàng)新設(shè)計教學(xué)、機械原理教學(xué)、模型制作、教具制作、個性私人訂制、產(chǎn)品打樣以及地方市場服務(wù)大量普及。

3 FDM 式增材制造加工特點及問題分析

3D 打印技術(shù)是數(shù)字化、新型材料應(yīng)用與人工智能化制造的結(jié)合體，具有可加工復(fù)雜結(jié)構(gòu)產(chǎn)品、快速成型反饋設(shè)計效果、數(shù)字化驅(qū)動無需編程、無需模具直接成型、設(shè)計制造一體化以及原材料利用率高的特點。與減材制造相比，結(jié)構(gòu)復(fù)雜的產(chǎn)品，特別是內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜的產(chǎn)品，在加工過程中，減材制造具有很大的局限性，3D 打印技術(shù)具有絕對優(yōu)勢。但在職業(yè)院校的創(chuàng)新設(shè)計教學(xué)、機械原理教具的制作、個性私人訂制、產(chǎn)品打樣工作中，不同的產(chǎn)品有不同要求。計算機離散處理的過程，自動化程度越高，越是大眾化的處理工藝，滿足不了個性化產(chǎn)品的需求。因此，該技術(shù)應(yīng)用中出現(xiàn)的問題也比較明顯，主要問題如下。

（1）產(chǎn)品打印時間過長，往往一個產(chǎn)品需要幾個小時甚至幾十個小時的打印時間。運用計算機離散模型時，難以規(guī)劃打印參數(shù)解決打印時長與模型質(zhì)量之間的關(guān)系。

（2）產(chǎn)品支撐及底座接觸面表面質(zhì)量低，支撐規(guī)劃不合理。

（3）模型打印變形。

（4）翹邊。

4 解決方案

4.1 打印時間控制技巧

在3D 打印產(chǎn)品過程中，打印時間的控制及其重要，往往一個產(chǎn)品需要幾個小時甚至幾十個小時的打印時間。影響打印時間的因素很多，直接因素是單層噴涂厚度、噴嘴噴涂速度以及打印內(nèi)容的多少。噴涂走絲速度及吐絲直徑對產(chǎn)品質(zhì)量有直接影響。因此模型打印速度的快慢，要根據(jù)產(chǎn)品表層質(zhì)量要求以及噴嘴直接大小來決定單層噴涂厚度。噴嘴直徑越大，即吐絲量越大，允許的層高越高，但模型表面紋路越粗。根據(jù)反復(fù)試驗結(jié)果，0.4 mm 口徑噴嘴，單層層高設(shè)置0.18 mm 左右，速度60 mm/s，打印效果與打印時間結(jié)合較好；產(chǎn)品表面質(zhì)量要求較高零件，將單層層高設(shè)置至0.12 mm 左右，速度50 mm/s 左右，效果較好；針對表面質(zhì)量要求低的產(chǎn)品，可將層高設(shè)置至最高0.3 mm 左右，速度80 mm/s 左右進行噴涂。

打印過程中，模型結(jié)構(gòu)主要有表層和內(nèi)部填充兩個部分組成。根據(jù)普通塑件制作試驗，內(nèi)部填充15%的正六邊形結(jié)構(gòu)，表層噴涂2 層，強度即可滿足正常需求。高質(zhì)量產(chǎn)品內(nèi)部填充20%的正六邊形結(jié)構(gòu)，表層噴涂3 層，效果極好。質(zhì)量要求不高的產(chǎn)品，建議內(nèi)部填充至少要10%，表層2 層以上。若產(chǎn)品表面及強度有其他要求，可適當(dāng)調(diào)整表層數(shù)及內(nèi)部填充量。打印內(nèi)容越多，耗時越長，填充疏密程度由產(chǎn)品強度的需求分析來設(shè)置。

打印制作產(chǎn)品的過程中需要打印的內(nèi)容主要有底座、模型、支撐等3 個部分。支架和底座都是打印工藝所需的輔助件，無論是打印效率，縮短時間，還是從節(jié)省材料的角度，打印設(shè)置中都應(yīng)該充分考慮減少支撐和底座的內(nèi)容。產(chǎn)品不同的擺放方式，決定產(chǎn)品Z 向投影面積和底座面積的大小。需要添加支撐的懸空部分的高度，以及懸空部分的Z 向投影面積的大小，決定了支撐內(nèi)容的多少。因此打印設(shè)置中應(yīng)充分考慮調(diào)整模型打印擺放方向，減少打印內(nèi)容。甚至可根據(jù)產(chǎn)品情況傾斜擺放模型，減少底部接觸面積，角度在打印許可范圍內(nèi)無需添加支撐。

4.2 支撐面表面質(zhì)量控制技巧

模型打印設(shè)置時，首先應(yīng)考慮支撐面積的多少和剝離支撐難易程度，零件視覺方向以及受力情況。支撐面表面質(zhì)量問題客觀存在，故首先考慮將支撐面規(guī)避，減少外觀面及裝配面的支撐面積。其次分析支撐剝離的難易程度，電腦計算添加的支撐無法滿足時，可在CAD 過程中手動繪制支撐，將支撐結(jié)構(gòu)繪入模型中，規(guī)劃支撐路徑，達到減少支撐面及易剝離的效果。

4.3 模型打印變形控制技巧

FDM 式3D 打印模型過程中易存在變形的情況，打印參數(shù)設(shè)置時，溫度設(shè)置過高，走絲速度過快，以及打印環(huán)境溫度過高，材料融化堆積過程中冷卻時間不夠，都易造成模型打印變形。一層輪廓打印完成后并未冷卻定型，下一層又堆積至表面，造成坍塌。這種情況往往出現(xiàn)在打印橫截面積較小層，及模型尖端部位，如圖2 所示。

材料堆積的過程中，如果冷卻效果不好，受重力影響，模型會向下坍塌變形，導(dǎo)致產(chǎn)品尺寸以及形狀變化。因此在打印設(shè)置時應(yīng)該考慮打印工藝對產(chǎn)品精度造成的影響，盡量保證裝配部位打印工藝，將裝配位置擺放至不易變形方向。根據(jù)環(huán)境溫度及材料性能，綜合設(shè)置打印溫度，同時可添加模型一次打印多件模型，增加層打印面積，使噴嘴單層移動路線增長而增加冷卻時間，解決根本問題，如圖3 所示。也可以達到一次性打印多個模型的效果。

圖2 易變形部位

4.4 翹邊控制技巧

打印過程是將材料高溫熔融逐層疊加并迅速冷卻，故材料會有一定程度的收縮，導(dǎo)致底層與工作臺粘連不穩(wěn)，在底部會收縮從邊緣翹起，甚至從工作臺掉落。控制其翹邊可從以下方面進行改善。

（1）材料。盡量選擇收縮率低的材料，例如，PLA 材料。開封后長時間沒用的材料會在空氣中氧化，也會造成翹邊。

圖3 增長噴嘴單層移動路線

（2）工作臺及打印環(huán)境溫度控制。可將工作臺升溫，運用溫床保證材料熔融凝固過程的溫差，減少材料的收縮量。

（3）工作臺結(jié)構(gòu)改善。將工作臺溫床接觸面更改為多孔網(wǎng)狀，或者增加接觸面粗糙程度。

（4）更改模型底部結(jié)構(gòu)。由于模型底面面積的增加，底部收縮受力相應(yīng)增加，從而會加大模型翹邊情況，因此大型模型制作過程中翹邊現(xiàn)象往往較為突出。打印大型模型時可在模型底部設(shè)計輔助支架，將大面積接觸面切割成多個獨立無支撐結(jié)構(gòu)，將打印底座拆分成多個小面積底座。

5 結(jié)語

本文從終端制作層面研究分析FDM 式增材制造技術(shù)的優(yōu)缺點，針對FDM 式增材制造技術(shù)運用中的產(chǎn)品打印時間控制、支撐及底座接觸面表面質(zhì)量低、支撐難規(guī)劃、模型打印變形、大型模型易翹邊等問題進行研究，提出相應(yīng)解決措施及技巧。