淺談熔融沉積成型3D打印及設(shè)計(jì)注意問題

陳福德

（山東華宇工學(xué)院，山東 德州 253034）

0 引言

隨著全球市場一體化的快速發(fā)展，市場產(chǎn)品越來越趨于多樣化和個(gè)性化，這就要求企業(yè)的制造技術(shù)應(yīng)具有較快的產(chǎn)品開發(fā)速度，同時(shí)要有較強(qiáng)的靈活性。3D打印及時(shí)最早產(chǎn)生于20世紀(jì)80年代后期，與傳統(tǒng)加工方法相比，它無需任何機(jī)械加工刀具、工裝夾具，能夠快速、精確地將設(shè)計(jì)者的思想快速地轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢üδ艿脑突蛑苯又圃炝慵瑥亩鵀樾庐a(chǎn)品設(shè)計(jì)思想的校驗(yàn)、零件原型制作提供了一種高效的實(shí)現(xiàn)手段。

熔融沉積成型技術(shù)，又稱熔絲沉積成型，簡稱FDM（Fused Deposition Modeling），是一種利用熱塑性材料的熱熔性、黏結(jié)性，利用加熱的方式將各種熱熔性的絲狀材料加熱熔化，在計(jì)算機(jī)控制下逐層堆積成型的技術(shù)，是3D打印技術(shù)中應(yīng)用最廣泛的工藝之一。FDM基于“離散/堆積”成型思想，采用計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)三維模型，利用切片軟件對STL模型文件進(jìn)行離散分層，生成各層面掃描信息，將模型離散為有限個(gè)面單元、線單元、點(diǎn)單元，再將打印材料由點(diǎn)到線、由線到面、由面到體地逐層沉積于工作臺(tái)上，最終形成三維實(shí)體模型，如圖1所示[2]。

圖1 離散/堆積原理

FDM成型具有成本低、速度快、使用方便、維護(hù)簡單，體積小且無污染等特點(diǎn)，極大地縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，降低成本，從而能夠快速響應(yīng)市場變化，滿足顧客的個(gè)性化需求，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)制造、醫(yī)療、建筑、教育、大眾消費(fèi)等領(lǐng)域。由于FDM是通過離散/堆積成型方式構(gòu)造實(shí)體，受系統(tǒng)軟件、成型設(shè)備、成型材料、制件精度與強(qiáng)度的限制，還無法直接用于生產(chǎn)，目前該技術(shù)僅用于新產(chǎn)品樣件制造、功能測試等方面[3，4]?；谌廴诔练e3D打印技術(shù)，主要是壁厚、層厚、支撐、強(qiáng)度、擺放方位等3D打印及設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)，為產(chǎn)品的打印成型提供重要參考，對于提高制件的精度和強(qiáng)度具有較好指導(dǎo)意義。

1 壁厚

對于3D打印，壁厚是指模型的一個(gè)內(nèi)表面與其相對應(yīng)外表面間的距離，如圖2所示。打印模型的最小壁厚與其整體尺寸相關(guān)，隨著設(shè)計(jì)產(chǎn)品尺寸的增加應(yīng)加大零件壁厚；實(shí)際中0壁厚是不存在的，所以無法打印片體結(jié)構(gòu)。當(dāng)模型尺寸較小時(shí)，要求壁面最小厚度不應(yīng)小于1 mm。在打印模型時(shí)，并不是所有的模型內(nèi)部都完全填充實(shí)心材料，在3D打印過程中有時(shí)僅內(nèi)外殼生成一定層厚的材料，而內(nèi)部用網(wǎng)格狀的格子進(jìn)行有規(guī)則的填充，外殼厚度很大程度上影響了3D打印件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度質(zhì)量狀況。在切片軟件中，打印壁厚通常設(shè)置為噴嘴直徑的倍數(shù)，對于0.4 mm的噴嘴，壁厚可設(shè)置為0.8 mm、1.2 mm等。在其他因素相同情況下，如果打印壁厚設(shè)置越大，模型越結(jié)實(shí)，打印時(shí)間越長。

圖2 壁厚

2 層厚

層厚是指切片/打印每一層的高度，也是影響打印質(zhì)量的主要參數(shù)，如圖3所示。打印模型所需層厚的設(shè)置最直接決定了打印所需時(shí)間。層高越小，打印所需時(shí)間越長；層厚越大，打印模型時(shí)間越短。層厚既影響模型的打印速度，又影響其打印質(zhì)量。在打印模型高度不變的情況下，打印層厚越薄，打印機(jī)需要打印層數(shù)越多，打印模型的精度越高，模型表面質(zhì)量越好，相應(yīng)的打印所消耗的時(shí)間就會(huì)越長；但相對地，層厚越大，切片分層產(chǎn)生的層數(shù)就越少，打印所需的時(shí)間就越短，但打印模型的質(zhì)量越差，零件表面較為粗糙。由于3D打印不可避免會(huì)存在打印誤差，從而在豎直方向上會(huì)產(chǎn)生臺(tái)階效應(yīng)，當(dāng)層厚較大時(shí)，臺(tái)階效應(yīng)越明顯，零件的表面就越粗糙。在切片軟件中一般層厚設(shè)置在0.1～0.4 mm，選擇層厚時(shí)可以兼顧打印質(zhì)量和打印速度。

圖3 層厚對打印質(zhì)量的影響

3 支撐

模型在懸空的地方添加支撐結(jié)構(gòu)，主要是為了防止在打印過程中材料下墜，影響模型打印的成功率，是影響模型打印質(zhì)量的主要參數(shù)。打印支撐需要花費(fèi)更多的打印時(shí)間，模型打印完成后需將支撐部分去除，通過打磨、拋光等后處理方法使其表面質(zhì)量得到明顯改善，而且后處理過程較為費(fèi)時(shí)費(fèi)力，所以在設(shè)計(jì)和打印模型時(shí)，盡量減少支撐較好。如果模型的突出部位傾斜角度大于45°，打印時(shí)必須設(shè)置支撐結(jié)構(gòu)，也稱為支撐45°規(guī)則，如圖4所示。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，盡量不要有較大角度的突出部分；如果建模過程中無法避免突出部分大于45°，可添加打印支撐結(jié)構(gòu)或修改模型來解決。一般地，模型經(jīng)過切片分層后，如果相鄰兩層的截面輪廓發(fā)生較變化變化或相差較大時(shí)，為了保證模型的打印質(zhì)量，打印時(shí)必須設(shè)置打印支撐；如果截面發(fā)生較小變化或輪廓逐漸變化時(shí)，不用設(shè)置打印支撐。

圖4 支撐45°規(guī)則

打印支撐主要分為無支撐、延伸到平臺(tái)的支撐和所有懸空支撐三種類型。延伸到平臺(tái)支撐是只建立與平臺(tái)接觸的支撐，懸空支撐是指模型內(nèi)部的懸空部分也會(huì)建立支撐。粘附平臺(tái)主要作用是加強(qiáng)模型與打印平臺(tái)之間的附著特性，打印時(shí)可以選擇無、沿邊（Brim）和底座（Raft）。無是直接在打印平臺(tái)上打印3D模型；沿邊是指在第一層的周圍打印一圈“裙邊”，讓3D模型與打印平臺(tái)之間粘連得更加牢固，防止模型翹邊，打印完成后容易去除。底座是指在3D模型下面先打印一個(gè)有高度的基座，以保證牢固的粘在熱床上，但不太容易去除。

4 填充

分層后得到模型的截面輪廓，每個(gè)層片截面的掃描路徑包括輪廓掃描和填充掃描。掃描方式主要有往復(fù)直線法、環(huán)形掃描法和分形掃描法。優(yōu)質(zhì)的掃描軌跡，能夠保證制件的成型精度和表面質(zhì)量，減小層間應(yīng)力，減輕翹曲變形，減少空行程，減少振動(dòng)和噪聲，提高成型效率。成型過程中，除需要對輪廓填充外，還需對內(nèi)部實(shí)體進(jìn)行掃描填充。填充方式主要有單向填充、多向填充、螺旋填充、偏置填充及復(fù)合填充等形式，填充方式會(huì)直接影響成型件的表面質(zhì)量、成型效率及內(nèi)應(yīng)力大小。單向填充是最簡單的填充方式，數(shù)據(jù)處理簡單，但掃描短線較多，產(chǎn)生的延遲時(shí)間誤差較大；多向填充可根據(jù)模型截面輪廓的形狀，自動(dòng)選擇沿長邊方向填充，能有效地減小單向填充產(chǎn)生的誤差，改善成型件的機(jī)械性能；螺旋填充可提高成型過程中的熱傳遞速度及成型件的機(jī)械性能，且掃描線較長，減小延遲時(shí)間誤差，但輪廓信息丟失嚴(yán)重，精度較低；偏置填充掃描線長，減小延遲時(shí)間誤差小，但計(jì)算量較大，填充路徑較復(fù)雜[5]。

5 強(qiáng)度

FDM工藝存在各向異性，XY平面方向的強(qiáng)度與Z軸方向不同，對于一些功能件或者承力件，承受力的方向和大小非常重要。FDM打印的零件，X、Y軸方向承受拉伸力的強(qiáng)度一般會(huì)大于Z軸方向，如圖5所示。如果受到同樣的拉伸力的作用，在Z軸方向上會(huì)更容易產(chǎn)生分層和斷裂問題。擺放方向也會(huì)對零件強(qiáng)度產(chǎn)生明顯的影響，特別是需要承受力的連接，在設(shè)計(jì)初和打印前需要特別考慮到。建模時(shí)，根據(jù)模型的受力方向，可對承受力的位置適當(dāng)增加厚度。打印時(shí)，熔融沉積3D打印成型是利用加熱的方式使材料熔化后從打印噴頭中擠出而成型的，材料靠熔化后自身的黏性相互粘結(jié)在一起，由于層與層之間的粘結(jié)力有限，在層與層之間的粘結(jié)強(qiáng)度較弱，往往會(huì)產(chǎn)生斷層、錯(cuò)位等情況。當(dāng)模型沿Z軸方向豎直打印時(shí)，承受壓力的能力小于沿X、Y軸方向水平打印，一般水平方向的打印質(zhì)量要比豎直方向好。因此，當(dāng)軸承受彎矩時(shí)，需要橫放（即水平）打印。

圖5 不同打印方向的強(qiáng)度

6 擺放方位

線寬是由打印機(jī)噴頭的直徑來決定的，大部分打印機(jī)噴嘴孔徑為0.4 mm。對于FDM打印機(jī)來說，不同的擺放方法，會(huì)導(dǎo)致模型表面質(zhì)量差別較大，是影響打印質(zhì)量的非常重要因素。X、Y軸方向的精度已由線寬決定，所以只能控制Z軸方向的精度（層厚）。如果模型有一些精細(xì)的設(shè)計(jì)，建議沿豎直方向（Z軸）打印。確定模型擺放方位時(shí)，需要綜合考慮打印強(qiáng)度、表面質(zhì)量、支撐、打印時(shí)間及成本等因素。打印時(shí)，仔細(xì)選擇模型的擺放方位，調(diào)整打印方向，減少支撐的數(shù)量，縮短打印時(shí)間，提高模型強(qiáng)度及表面質(zhì)量等。設(shè)計(jì)模型時(shí)，細(xì)節(jié)部位也最好放在方便豎直打印的位置。另外，3D打印件如需拼接，要預(yù)留一定裝配間隙。拼接間隙根據(jù)模型尺寸大小上下調(diào)整，通常設(shè)置為0.1～0.3 mm，模型越大，拼接間隙也應(yīng)越大。

7 結(jié)束語

打印模型的最小壁厚與其整體尺寸有關(guān)，隨著設(shè)計(jì)產(chǎn)品尺寸的增加應(yīng)加大零件壁厚；壁厚越大，模型越結(jié)實(shí)，打印時(shí)間越長。層厚、打印支撐和打印方向是影響模型打印質(zhì)量的主要關(guān)鍵因素；層厚越小，打印所需時(shí)間越長，精度及表面質(zhì)量越好。若模型的突出部位傾斜角度大于45°，打印時(shí)必須設(shè)置支撐結(jié)構(gòu)，主要有延伸到平臺(tái)和所有懸空兩種支撐類型，打印時(shí)因模型結(jié)構(gòu)不同而不同。為了加強(qiáng)打印模型和平臺(tái)的附著特性，提高底面的表面質(zhì)量，打印時(shí)可采用沿邊或底座，有時(shí)也可在平臺(tái)上噴涂粘合劑。FDM打印制件，不同的打印方向強(qiáng)度大小不同，一般來說豎直方向的強(qiáng)度高于切斜方向，也高于水平方向，模型擺放時(shí)應(yīng)綜合考慮打印方向、支撐數(shù)量、打印時(shí)間、模型強(qiáng)度及表面質(zhì)量等因素。