FDM 3D打印模型表面階梯效應(yīng)的分析*

龔運(yùn)息　陳　晨　夏名祥　宋恩權(quán)

(①廣西科技大學(xué)，廣西 柳州 545006；②柳州鑫鼎科技有限公司，廣西 柳州 545006)

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FDM 3D打印模型表面階梯效應(yīng)的分析*

龔運(yùn)息①陳晨①夏名祥①宋恩權(quán)②

(①廣西科技大學(xué)，廣西 柳州 545006；②柳州鑫鼎科技有限公司，廣西 柳州 545006)

3D打印模型表面的階梯效應(yīng)是常見的表面缺陷。在概述FDM 3D打印的原理基礎(chǔ)上，以簡化的三維錐體模型的3D打印加工為研究對(duì)象，分析了模型表面階梯效應(yīng)的形成原理，論述了階梯效應(yīng)與成型層厚及成型模型面角度的關(guān)系，同時(shí)也與銑削加工進(jìn)行了對(duì)比。提出了改善FDM 3D打印階梯效應(yīng)的方法，為探索和提高FDM 3D打印表面的質(zhì)量，減小階梯效應(yīng)，提供了有益的參考。

FDM ；3D打??；層厚；階梯效應(yīng)

當(dāng)前，通過廣泛的媒體報(bào)道，3D打印技術(shù)呈家喻戶曉之勢。3D打印實(shí)際上是快速成型制造技術(shù)的統(tǒng)稱。根據(jù)快速成型的原理和方法， 3D打印技術(shù)多達(dá)十幾種，甚至更多。其中成熟應(yīng)用的主流技術(shù)有以下4種，即：SLA激光立體光刻、SLS選區(qū)激光燒結(jié)、FDM熔融層積成型技術(shù)、LOM疊層實(shí)體制造法[1]。許多學(xué)者開展了3D打印技術(shù)工藝及原理，以及在機(jī)械、汽車領(lǐng)域的應(yīng)用研究[2-4]，探討了3D打印樣件用于產(chǎn)品評(píng)估、功能測試等方面的應(yīng)用[5]。然而，這些研究主要是針對(duì)3D打印產(chǎn)品的用途研究，鮮有對(duì)模型表面的質(zhì)量，階梯效應(yīng)的形成深入開展研究。通俗地說，3D打印是分層累加的增材制造。在累加的過程中，模型表面層與層之間會(huì)有階梯產(chǎn)生，我們稱之為“階梯效應(yīng)”， 研究階梯效應(yīng)的形成機(jī)理以及改善方法，對(duì)提高模型表面的質(zhì)量有重要的意義。

1　FDM 3D打印原理及階梯效應(yīng)

1.1FDM 3D打印原理

FDM(fused deposition modeling)稱為熔融層積成型技術(shù)，又稱熔絲沉積法。其原理是首先將設(shè)計(jì)的三維CAD實(shí)體模型離散化，按幾何形狀變化分成一定厚度的薄層，稱為分層，得到截面輪廓和填充軌跡。FDM的控制系統(tǒng)將絲狀的熱塑性材料加熱融化，同時(shí)三維噴頭在計(jì)算機(jī)控制下，根據(jù)截面輪廓和填充軌跡信息，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。然后重復(fù)上述過程，繼續(xù)融噴沉積，直至形成整個(gè)實(shí)體模型造型[6-7]。FDM使用的材料有ABS塑料絲、PLA塑料絲、尼龍絲和蠟絲等。相對(duì)于其他主流3D打印成型，F(xiàn)DM具有操作簡便、工藝簡單、環(huán)境干凈、材料利用率高、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn)，因而應(yīng)用普遍。

打印原理如圖1所示。

1.2階梯效應(yīng)的形成模擬分析

無論是傳統(tǒng)的機(jī)加工還是3D打印成型，模型表面都會(huì)產(chǎn)生凹凸不平的加工痕跡。我們可以用表面粗糙度來衡量凹凸不平的程度。

首先，我們看看傳統(tǒng)的機(jī)加工模型表面加工痕跡是怎樣形成的？加工痕跡與刀具半徑及進(jìn)給量有關(guān)，在刀具軌跡之間產(chǎn)生，可以稱之為“波峰效應(yīng)”， 粗糙度是指殘余波峰高度。

而3D打印模型的表面加工痕跡，與噴嘴直徑、分層厚度及成型角度有關(guān)，在分層之間產(chǎn)生，形狀如階梯，可以稱之為“階梯效應(yīng)”，粗糙度是指階梯效應(yīng)產(chǎn)生的階梯高度。

以簡化的錐體模型加工為模擬參考，二者的形成機(jī)理和計(jì)算方法分別如圖2、圖3所示。

圖2中，機(jī)加工模型殘余波峰高度h與刀具半徑R及周期進(jìn)給量P存在以下關(guān)系：

(1)

由式(1)可知，波峰高度h與刀具半徑R、進(jìn)給量P均成正比關(guān)系。

假設(shè)分別采用半徑R為5 mm和10 mm的球頭刀加工，機(jī)加工模型殘余波峰高度h隨周期進(jìn)給量P的變化關(guān)系如表1所示，關(guān)系曲線如圖4所示。

在圖3中，3D打印模型階梯效應(yīng)產(chǎn)生的階梯高度h與分層厚度t及模型表面角度α存在以下關(guān)系：

h=t×cosα

(2)

由式(2)可知，階梯高度h與分層厚度t成正比關(guān)系，與模型表面角度α成反比關(guān)系。

假設(shè)分別采用分層厚度為0.1 mm和0.15 mm打印時(shí)，3D打印模型階梯高度h與模型表面角度關(guān)系數(shù)

表1　機(jī)加工模型殘余波峰高度與周期進(jìn)給量關(guān)系　mm

表2　3D打印模型階梯高度與模型表面角度關(guān)系　mm

據(jù)如表2所示，關(guān)系曲線如圖5所示。

2　階梯效應(yīng)的3D打印實(shí)驗(yàn)分析

2.1試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膮?shù)及模型的建立

以簡化的錐體模型的3D打印為例。錐體的底徑(直徑)均為50 mm，錐體模型分為A、B兩組，每組有兩個(gè)，即A1、A2；B1、B2。錐體模型分組如表3所示。

A組的兩個(gè)模型參數(shù)為：成型錐面角度為45°的錐體，層厚分別取0.15 mm、0.25 mm，表示為A1(45°，0.15 mm)、A2(45°，0.25 mm)，通過試驗(yàn)評(píng)估階梯高度h隨層厚t的變化情況。

B組的兩個(gè)模型參數(shù)為：層厚0.2 mm不變，成型錐面角度分別取30°、45°的錐體，表示為B1(0.2 mm，30°)、B2(0.2 mm，45°)。通過試驗(yàn)評(píng)估階梯高度h隨成型錐面角度α的變化情況。

表3錐體模型分組參數(shù)表

模型組成型參數(shù)1成型參數(shù)2計(jì)算階梯高度h/mmA組模型A145°0.15mm0.1061模型A245°0.25mm0.1768B組模型B10.2mm30°0.1732模型B20.2mm45°0.1414

2.2模型的FDM 3D打印試驗(yàn)

模型的FDM 3D打印試驗(yàn)在Inspire S250系列的FDM快速成型機(jī)上進(jìn)行，打印材料為ABS塑料絲。試驗(yàn)流程：

錐體CAD數(shù)?！D(zhuǎn)成STL模型→確定制作方向→模型分層→3D打印制作→取出零件→評(píng)價(jià)階梯高度。

打印工藝參數(shù)如表4所示，打印完成的A組、B組模型分別如圖6和圖7所示。

表4錐體模型 3D打印工藝參數(shù)

工藝參數(shù)A組模型B組模型A1A2B1B2分層厚度/mm0.150.250.200.20分層數(shù)18010882135成型面角度/(°)45453045模型體積/cm316.316.39.4116.3成型時(shí)間/h0.430.220.320.33實(shí)測階梯高度/mm0.100.170.170.13

A組的兩個(gè)模型中，分層厚度t參數(shù)為0.25 mm的A2模型，其階梯效應(yīng)要比分層厚度t參數(shù)為0.15 mm的A1模型明顯，表面顯得更“粗糙”，試驗(yàn)驗(yàn)證了階梯效應(yīng)隨分層厚度t的增大而增大。

B組的兩個(gè)模型中，成型錐面角度為45°的B2模型，其階梯效應(yīng)要比成型錐面角度為30°的B1模型小，“粗糙”程度比B1模型略小，試驗(yàn)驗(yàn)證了階梯效應(yīng)隨成型錐面角度的增大而減小。

通過對(duì)打印模型結(jié)果的觀察與測量，階梯高度實(shí)測值與理論計(jì)算基本吻合，試驗(yàn)的結(jié)果驗(yàn)證了階梯高度的變化符合前述式(2)中階梯效應(yīng)的階梯高度h與分層厚度t及模型表面角度α的變化關(guān)系。

2.33D打印模型階梯效應(yīng)的改善方法

為減小形成階梯效應(yīng)的階梯高度，采取的措施是：

(1)減小分層厚度，選擇打印精度高的設(shè)備。目前常見的FDM 3D打印機(jī)分層厚度一般為0.10 mm、0.15 mm、0.20 mm、0.25 mm等，要根據(jù)需要選擇合適的設(shè)備。

但是，分層厚度減小后會(huì)增加打印時(shí)間。所以要在階梯效應(yīng)和打印效率方面綜合考慮。

(2)分析模型表面角度。當(dāng)模型表面平坦，角度較小時(shí)，會(huì)增加階梯高度，慎重選擇3D打印加工方式，或在允許的條件下，優(yōu)化原始模型的結(jié)構(gòu)。

(3)改變模型的擺放角度。3D打印軟件有許多功能，可以實(shí)現(xiàn)模型的縮放、平移、旋轉(zhuǎn)等，通過這些功能操作，優(yōu)化模型的擺放角度，使得成型的階梯效應(yīng)最小。

當(dāng)然，通過上述方法，盡管改善了3D打印模型的階梯效應(yīng)，但是，階梯效應(yīng)總是不能完全消除的。就像傳統(tǒng)機(jī)加工模型表面，需要鉗工打磨、拋光加工刀痕一樣，從3D打印機(jī)取出模型后，對(duì)模型的后處理工作也是必須的。這些后處理包括去除支撐、打磨、拋光、修補(bǔ)等工作。完成后處理后，可以得到表面光滑的3D打印模型，使其表面粗糙度符合國家技術(shù)監(jiān)督局頒布的《GB/T14234-1993塑料件表面粗糙度》標(biāo)準(zhǔn)要求[8]。

3　結(jié)語

通過對(duì)錐體FDM 3D打印模型階梯效應(yīng)的研究分析，得到了影響階梯效應(yīng)的相關(guān)參數(shù)，并通過打印試驗(yàn)加以驗(yàn)證，提出了改善方法，對(duì)于獲得良好的模型打印效果有一定的參考意義。該研究僅以簡化的錐體模型為參考，實(shí)際上，工業(yè)產(chǎn)品的模型型面幾何形狀復(fù)雜，結(jié)構(gòu)各異，如何減小階梯效應(yīng)，提高模型表面的打印質(zhì)量，要從產(chǎn)品模型設(shè)計(jì)、3D打印設(shè)備、打印工藝參數(shù)選擇、打印成型方式選擇等多方面因素考慮，才能獲得更好的模型打印效果。有理由相信，隨著3D打印技術(shù)及機(jī)床設(shè)備，以及3D打印原材料的發(fā)展，3D打印將會(huì)呈現(xiàn)良好的發(fā)展前景。

[1]余東滿,李曉靜,高志華.快速成型技術(shù)工藝特點(diǎn)及影響精度的因素[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2011(7):112-114.

[2]劉月輝,史春濤,郝志勇.快速成型技術(shù)在汽車上的應(yīng)用[J].汽車技術(shù),2001(6):25-28.

[3]董云海,殷晨波,岳剛鵬,等.激光快速成型技術(shù)用于汽車零部件的開發(fā)[J].中國制造業(yè)信息化,2005,34(9):112-114.

[4]龔運(yùn)息.逆向工程及3D打印技術(shù)在微車發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇開發(fā)中的集成應(yīng)用[J].科技與企業(yè),2013(17):299-300.

[5]洪軍,唐一平,盧秉恒.快速成型技術(shù)在新產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)與制造中的應(yīng)用研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì),2000(12):7-10.

[6]侯清泉,劉春生.FDM快速成型機(jī)加工工藝方法研究[J].制造技術(shù)與機(jī)床, 2008(1):88-90.

[7]段康容,賴思琦,熊開封.FDM快速成型技術(shù)在無線電測向機(jī)創(chuàng)新設(shè)計(jì)上的應(yīng)用研究[J].制造業(yè)自動(dòng)化,2013,35(11)：51-53,57.

[8]國家技術(shù)監(jiān)督局(機(jī)械電子工業(yè)部機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)化研究所).GB/T14234-1993塑料件表面粗糙度[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1993.

(編輯譚弘穎)

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Step effect analysis of FDM 3D printing model surface

GONG Yunxi①，CHEN Chen①，XIA Mingxiang①，SONG Enquan②

(①Guangxi University of Science and Technology , Liuzhou 545006, CHN；②Liuzhou Xinding Technology Ltd., Liuzhou 545006, CHN)

The step effect of FDM 3D printing model surface is a common surface defect. On that basis to describe the principle of FDM 3D printing, and taking the 3D printing process of the simplified three-dimensional cone model as the research object, to analysis the formation principle of the step effect of model surface. The relationship between the step effect and the layer thickness as well as molding surface angle has been discussed, at the same time compared with the milling process. A method to improve the step effect of FDM 3D printing is proposed, this can provides a beneficial reference to explore and improve the quality of FDM 3D printing surface, reduces the step effect of model surface.

FDM；3D printing；layer thickness；step effect

TH164

A

龔運(yùn)息，男，1964年生，碩士，高級(jí)工程師，主要從事汽車產(chǎn)品研發(fā)和先進(jìn)制造技術(shù)研究工作。

2015-10-13)

160409

*廣西科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目：3D打印基地建設(shè)能力提升與創(chuàng)新示范(桂科能1598024-2-1)