改善教學(xué)中桌面式FDM打印制件質(zhì)量的探討

大連市輕工業(yè)學(xué)校 遼寧大連 116000

隨著國家裝備制造業(yè)的不斷發(fā)展，新技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛。3D打印技術(shù)，作為先進(jìn)的加工和制造技術(shù)，眾多企業(yè)為了節(jié)約成本，提高工作效率，紛紛引進(jìn)3D打印設(shè)備，企業(yè)的人才需求缺口也越來越大。針對此情況，中職院校紛紛開設(shè)3D打印課程，培養(yǎng)面向企業(yè)需求的技能型人才。FDM打印技術(shù)作為3D打印技術(shù)的一種，具備成型工藝簡單、生產(chǎn)成本低、生產(chǎn)周期短、方便快捷等優(yōu)點，無需機(jī)械加工就能直接從計算機(jī)圖形數(shù)據(jù)中生成任何形狀的零件，因此桌面式FDM打印設(shè)備也是職業(yè)院校開設(shè)3D打印課程所采用的主要設(shè)備之一。

1 FDM打印技術(shù)

FDM打印技術(shù)，即熔融沉積成型（Fused Deposition Modeling）技術(shù)，3D打印技術(shù)的主要類型之一。所謂3D打印技術(shù)，是一種以3D 設(shè)計模型文件為基礎(chǔ)，運用不同的打印技術(shù)、方式使特定的材料，通過逐層堆疊、疊加的方式來制造物體的技術(shù)。近年來，3D打印技術(shù)發(fā)展迅速，打印設(shè)備制造技術(shù)、打印材料功能及設(shè)計成型軟件等方面的探索研究逐步成熟。FDM打印技術(shù)主要的打印材料為塑料，中職院校的桌面式FDM打印設(shè)備材料以PLA或ABS為主，以絲盤狀供應(yīng)。材料在噴頭內(nèi)加工融化，加工中噴頭按零件截面輪廓和填充軌跡運動，并將融化的材料同時擠出，材料迅速冷卻凝固，并與周圍截面材料粘接。每一個輪廓截面被稱為切片，逐層加工，上一層切片對當(dāng)前切片起定位和支撐作用，層層累積加工制造實體零件。相對于傳統(tǒng)的加工制造，F(xiàn)DM打印技術(shù)屬于增材制造，是一種“自下而上”的加工方式[1]。

2 教學(xué)中打印制件缺陷分析

桌面式FDM打印機(jī)，與傳統(tǒng)的加工設(shè)備相比較，制件的精度與成型質(zhì)量也是制約著FDM打印技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵所在之一。在實踐操作過程中，桌面式FDM打印機(jī)打印出來的制件具備著明顯的缺點，主要表現(xiàn)為：（1）尺寸精度低。制件的尺寸精度是衡量加工質(zhì)量的最重要指標(biāo)，直接影響著制件的合格率。職業(yè)學(xué)校采購的桌面式FDM打印設(shè)備，雖然理論上精度能達(dá)到0.1mm左右，然而在實際加工中，綜合各種加工因素影響后學(xué)生加工的制件精度往往達(dá)不到要求。在中職學(xué)校教學(xué)中，開設(shè)3D打印課程的往往是加工制造類專業(yè)，學(xué)生具備一定加工經(jīng)驗，因而學(xué)生在制件尺寸精度上與傳統(tǒng)機(jī)械加工出來的零件相比中，明顯能感覺到差距。（2）幾何精度低。生產(chǎn)中，零件的質(zhì)量不光要保證尺寸精度，還要保證幾何精度，即圓度、圓柱度、平面度等。在使用桌面式FDM打印機(jī)的過程中，制件易出現(xiàn)翹曲、錯位、扭曲等加工異?，F(xiàn)象。（3）表面質(zhì)量差。表面質(zhì)量差主要表現(xiàn)在兩方面，一是加工中存在拉絲的現(xiàn)象，一是由支撐部分引起的。拉絲是材料在噴頭停止擠出后，仍有部分融化材料受重力影響流出，附著在外表面。支撐是在打印過程中為了平衡結(jié)構(gòu)而打印的，后期去除、打磨、拋光等過程會影響表面質(zhì)量。另外，切片處理引起的原理性誤差，造成“臺階效應(yīng)”的存在，也大大降低零件的表面質(zhì)量，尤其在曲面曲率變化大的模型表面更為明顯[2]。

3 教學(xué)中打印制件質(zhì)量改善策略

影響桌面式FDM打印機(jī)制件成型精度及質(zhì)量的因素很多，如CADCAM導(dǎo)致的誤差、切片處理引起的原理性誤差、FDM成型系統(tǒng)誤差、打印材料收縮導(dǎo)致的誤差等。為了提高職業(yè)教育課堂教學(xué)質(zhì)量，有效改善學(xué)生打印制件的質(zhì)量，可從三個方面進(jìn)行著手：（1）成型前，合理建模，優(yōu)化切片。在教學(xué)過程中，指導(dǎo)學(xué)生合理建模，盡可能規(guī)避傾斜面、曲面的設(shè)計，設(shè)置合理的切片厚度，消除因切片原理誤差導(dǎo)致的輪廓不清晰現(xiàn)象，降低“臺階效應(yīng)”的負(fù)面影響。雖然切片厚度越小，得到的制件質(zhì)量越高，但打印層數(shù)成倍的增加會造成打印材料及打印時間的增加。同是，在切片過程中，盡量使制件模型開口端朝上，封閉端朝下，模型的擺放方式應(yīng)在牢固穩(wěn)定的基礎(chǔ)上盡可能減少支撐的產(chǎn)生，調(diào)試支撐密度，盡量把支撐密度調(diào)小，10%為合適，便于拆除支撐，提高制件表面質(zhì)量。（2）成型過程中，結(jié)合制件尺寸、形狀合理選取工藝參數(shù)。影響桌面式FDM打印設(shè)備打印制件質(zhì)量的成型參數(shù)有很多，指導(dǎo)學(xué)生操作時應(yīng)綜合考慮合理搭配參數(shù)。成型前指導(dǎo)學(xué)生調(diào)整工作臺和噴嘴距離，噴嘴溫度加熱，ABS加熱到230℃左右，PLA加熱到220℃左右。工作臺預(yù)熱時，ABS打印工作臺溫度應(yīng)該在110℃左右，PLA打印工作臺溫度應(yīng)該穩(wěn)定在55℃左右，同時可在工作臺上輔以高溫膠帶或膠水輔助固定。控制耗材流量，防止積削的產(chǎn)生，防止在噴頭加工路徑上產(chǎn)生阻力。盡可能綜合優(yōu)化參數(shù)，降低翹曲、錯位、扭曲等現(xiàn)象，也優(yōu)化成型表面質(zhì)量。（3）成型后，合理進(jìn)行后處理。拆除支撐后，與支撐相連接的成型表面打印質(zhì)量很差，為了提高制件表面質(zhì)量，可以用打磨工具稍微修整，然后用毛巾沾丙酮或氯仿溶液擦拭處理。注意戴手套，不要擦拭時間過長以免影響模型外觀和尺寸[3]。

4 結(jié)語

中職院校的教育就應(yīng)該與時俱進(jìn)，探索新知識，接觸新技術(shù)，面向行業(yè)發(fā)展、企業(yè)需求培養(yǎng)高素質(zhì)人才。FDM打印是近年來飛速發(fā)展的3D打印中的一種類型，桌面式FDM打印設(shè)備也在各職業(yè)院校在開設(shè)3D打印課程中時常應(yīng)用。作為職業(yè)教師，在教授學(xué)生職業(yè)技能的前提下，也應(yīng)該注重學(xué)生職業(yè)素質(zhì)的培養(yǎng)，培養(yǎng)學(xué)生追求高品質(zhì)產(chǎn)品信念，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力。當(dāng)然，作為新技術(shù)，F(xiàn)DM打印技術(shù)仍然有不夠完善的地方，制件質(zhì)量仍有可提升的空間，仍需要對相關(guān)技術(shù)工藝及設(shè)備不斷的研究和優(yōu)化。