FDM工藝成型參數對打印成本的影響研究

李 彬，顧 海，陸 恒，張 捷，姜 杰

（南通理工學院 機械工程學院，南通 226002）

FDM工藝成型參數對打印成本的影響研究

李 彬，顧 海，陸 恒，張 捷，姜 杰

（南通理工學院 機械工程學院，南通 226002）

為了提高熔融沉積成型（FDM）的打印效率，減小打印成本，選擇成型參數中的放置方式、支撐方式、分層厚度、填充率和打印速度等參數對FDM工藝成型件的模型、支撐材料用量和打印時間的影響進行研究。結果表明，合理選擇成型參數可以有效減小打印成本。放置方式和支撐方式應根據模型實際需要進行選擇。當分層厚度為0.2mm，填充率為15%，打印速度為80mm/s時，在滿足模型精度、強度等條件下有效提高打印效率，減小打印成本。

熔融沉積成型；工藝參數；打印成本；打印效率

0 引言

熔融沉積成型（FDM，Fused Deposition Modeling）工藝由于其結構和操作簡單，使用、維護成本較低，可使用無污染的材料等優勢，成為目前應用最為普及的3D打印技術之一[1,2]。FDM成型工藝采用工業級熱塑材料、鑄造石蠟、低熔點金屬和陶瓷等作為成型材料[3,4]，打印出的模型主要用于模具行業等新產品的開發，也可用于直接制造零部件和生產工具[5,6]。

FDM工藝原材料成本較高、成型速度慢，成型時為了防止模型空腔或懸臂部分坍塌，需要給模型添加支撐，浪費材料的同時還浪費時間[7,8]。這些問題影響了FDM技術的推廣和應用。針對這些不足，應對其相對應的改善措施進行研究[9,10]。

本文著重從不同的成型工藝參數：放置方式、支撐方式、分層厚度、填充率和打印速度等方面進行實驗研究，分析其對成型件的模型、支撐材料用量和打印時間的影響，以確定最小成本所對應的最優成型參數，這對FDM成型件的打印具有理論指導意義。

1 實驗方法

采用SolidWorks軟件進行外殼的三維建模，模型大小為70mm×180mm×40mm，實際體積為47.0139cm3，然后保存為STL格式的文件，如圖1所示。

圖1 產品的STL模型

模型打印采用3DTALK T-real Ⅱ IND型3D打印機，其具有兩個噴頭，分別打印PLA材料和支撐材料，構件尺寸為254mm×254mm×210mm。先將文件導入打印機控制軟件，然后進行切片并生成打印路徑，最終進行打印。結合打印機自身特點，打印機平臺附著類型設置為無附著，模型支撐類型為完全支撐。分別從模型放置方式、支撐方式、分層厚度、填充率和打印速度等5個方面進行實驗研究。具體打印參數設置如表1所示。

打印前，分別記錄打印機剩余材料量（模型和支撐）。打印過程中，記錄各打印參數下的打印時間。打印完成，再次分別記錄打印機剩余材料量。材料用量=打印前剩余材料量-打印后剩余材料量。

2 實驗結果與分析

2.1 放置方式

當支撐結構類型為線結構，分層厚度為0.2mm，填充率為15%，打印速度為80mm/s時，打印模型不同放置方式所產生的支撐效果如圖2所示，打印模型及支撐用量和打印時間如表2所示。從圖2(a)、圖2(b)中可以看出，水平放置所產生的支撐結構覆蓋面積較大。結合圖2(c)可以看出，豎直放置明顯比水平放置所產生的支撐結構少。

表1 成型工藝參數

圖2 模型的放置方式

表2 不同放置方式的材料用量和打印時間

從表2中可以看出，水平放置比豎直放置打印模型所消耗的材料增加約7%，所產生的支撐結構增加約500%，打印時間增加約32%。分析認為，這與模型本身特點有關。

打印模型消耗材料包括內部填充材料和邊緣材料。不同放置方式下，模型內部體積一定，填充所消耗的材料相等。邊緣材料與模型所有層數的XY方向的截面積周長和有關。水平放置比豎直放置的XY方向的截面積周長大，水平放置比豎直放置時的層數小，但水平放置比豎直放置的所有層數的XY方向的截面積周長和要略大。

從圖2中可以看出，水平放置時外殼曲面需要添加支撐，豎直放置時兩個圓孔及兩側需要支撐，即水平放置所需要的支撐結構面積比豎直放置時要大得多，而支撐層數僅比豎直放置時略少，其支撐結構體積遠大于豎直放置時所需要的支撐結構體積。

一般來說，XY方向打印速度比Z方向打印速度要快。當XY方向面積較大，其打印所需時間可能超過Z方向高度打印時間，即水平放置時打印所需時間比豎直放置所需時間要大。

2.2 支撐方式

線支撐相對網格支撐來說比較容易拆除，但是卻沒有網格支撐那么堅固。網格支撐雖然堅固但是往往不易拆除。應根據實際情況選擇相應的支撐結構。當放置方式為豎直，分層厚度為0.2mm，填充率為15%，打印速度為80mm/s時，不同支撐方式所產生的支撐效果如圖3所示，打印模型及支撐用量和打印時間如表3所示。從圖3中可以看出，(b)所示的網格結構明顯比(a)所示的線結構所消耗的支撐材料要多。

圖3 支撐方式

從表3中可以看出，不同支撐結構時，模型打印材料用量不變，網格結構X方向、Y方向均有支撐，線結構X方向有支撐，Y方向無支撐。網格結構X方向支撐密度比線結構支撐密度小，但比線結構多出Y方向支撐。因此，相同層數時，網格結構所消耗支撐材料比線結構所消耗支撐材料增加約65%。由于XY方向打印速度較快，所以支撐方式為網格結構時打印所消耗時間比線結構增加約6%。

表3 不同支撐方式的材料用量和打印時間

2.3 分層厚度

實驗表明，不同分層厚度時，支撐材料用量均為1.64m。支撐材料用量不隨分層厚度的改變而改變。當模型放置方式為豎直，支撐結構類型為線，填充率為15%，打印速度為80mm/s時，不同分層厚度的打印模型和打印時間如圖4所示。

從圖4中可以看出，隨著分層厚度的增加，模型材料用量先減小后增大。分層厚度為0.2mm時，模型材料用量最少，達到16.27m；分層厚度為0.3mm時，模型材料用量最多，達到16.56m。分層厚度的不同，其模型材料的用量變化并不明顯。

從圖4中可以看出，隨著分層厚度的增加，打印時間減小。三種不同分層厚度參數下，打印時間分別減小約95%、40%。高度一定時，分層厚度越大，層數越少，打印時間越少，打印的模型表面越粗糙。因此，需要根據實際需要選擇合適的分層厚度。

圖4 不同分層厚度的模型用量和打印時間

2.4 填充率

填充率描述模型內部結構，填充率越大，內部的填充越多，模型的強度就越大。填充率的不同不影響其支撐材料用量。當模型放置方式為豎直，支撐結構類型為線，分層厚度為0.2mm，打印速度為80mm/s時，不同填充率的打印模型和打印時間如圖5所示。

圖5 不同填充率的模型用量和打印時間

從圖5中可以看出，當填充率＜75%時，模型材料用量和打印時間分別隨著填充率的增大而增大；當填充率為75%時，模型材料用量和打印時間分別達到最大值，分別為20.45m、5.32h；當填充率為100%時，模型材料用量和打印時間分別減小到20.26m、4.88h。當對模型強度要求不高時，應優先選擇低填充率；當對模型強度要求較高時，應選擇100%填充率，可在保證模型強度的前提下，提高打印效率。

2.5 打印速度

打印速度不影響其模型材料用量和支撐材料用量。當模型放置方式為豎直，支撐結構類型為線，分層厚度為0.2mm，填充率為15%時，不同打印速度的打印時間如圖6所示。

圖6 不同打印速度的模型用量和打印時間

從圖6中可以看出，打印時間隨著打印速度的增加而減小。打印速度為100mm/s時的打印時間比打印速度為70mm/s時減小0.23h（約5%）。當打印速度達到一定值后，如果繼續增加，噴頭產生機械振動，影響模型的精度；同時，擠出的絲材在噴頭高度運動下被拉成細線，出現“斷續”現象，甚至出現表面空缺。速度越高，噴

【】【】頭運動慣性越大，在模型邊緣會產生過堆積現象[8]。因此，當噴頭直徑和擠出速度一定時，應合理選擇打印速度。

3 結論

1）模型放置方式的選擇應在滿足模型的結構、用途等需要的基礎上考慮模型、支撐材料用量及打印時間。XY方向截面積和Z方向高度綜合影響其打印成本。

2）與網格結構支撐相比，線結構支撐可大量減少支撐用量的同時提高打印效率。

3）當分層厚度為0.2mm，填充率為15%，打印速度為80mm/s時可滿足打印件的精度、強度等要求的同時，提高打印效率、減小打印成本。

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Research on the infuence of printing cost on FDM parameters

LI Bin, GU Hai, LU Heng, ZHANG Jie, JIANG Jie

TQ320.6

：A

1009-0134(2017)06-0052-03

2017-03-03

南通理工學院校級科研項目（科研2015041，科研2015010）；江蘇省高校重點建設實驗室3D打印裝備及應用技術；江蘇省三維打印裝備與制造重點實驗室開放基金項目；南通市科技平臺計劃資助項目（CP12014002）；南通市科技計劃資助項目（BK2014079）

李彬（1988 -），男，講師，碩士研究生，研究方向為快速成型技術。