遙控器模型的3D打印工藝優化

周倩 張文平 李慶

摘 要：熔融沉積（FDM）技術是3D打印技術的一個重要發展方向。提高3D打印模型表面質量及其性能最經濟合理的方法就是在特定的設備軟件和硬件情況下，對于給定的3D打印系統，優化其工藝過程的控制參數。本文基于熔融沉積成型（FDM）工藝，優化了模型擺放方向、打印速度、溫度、層厚及支撐等工藝參數，打印的遙控器模型的表面質量比之前未優化的表面質量顯著提高。通過后處理，使模型外觀達到了使用標準。

關鍵詞：熔融沉積成型工藝 工藝參數

中圖分類號：D923.42 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）12（b）-00-02

3D打印技術是由產品的三維CAD模型數據直接驅動，組裝（堆積）材料單元而制造出任意復雜且具有使用功能的零件的科學技術[1-2]。3D打印通過逐點成線，逐線成面，疊層累加來制作模型。3D打印的原理決定了其制作的模型不可避免的存在臺階效應，垂直于分層方向力學性能下降等缺陷。

在常規打印中，遙控器模型臺階效應明顯，卡口處強度低，本文通過優化FDM熔融沉積成型的打印速度、溫度、層厚、擠出流量等工藝參數，得到的遙控器模型比常規打印模型的強度和表面質量都有所提高，通過后處理，使模型外觀達到了使用標準。

1 遙控器模型及常規打印存在的問題

為遙控器模型（如圖1所示）分為上下蓋兩部分，其上下表面均為曲率較小的曲面，選擇最大投影面方向為切片平面，選取常規打印參數，打印完成后，發現階梯效應非常明顯，遙控器的上表面和下表面的表面質量較差，且薄壁處強度較低，上下蓋裝配過程中容易斷裂（受力方向與分層方向相同），無法滿足模型驗證使用要求。

2 工藝參數優化

切片軟件Cura本身可以自動添加支撐，但支撐類型少，且不能手動修改，故本模型先從快速成型軟件Magics中設定好如圖2所示的擺放方向，完成支撐添加，將添加好支撐的模型載入Cura切片軟件后不再添加支撐。

參數設置包含基本設置、高級設置和額外設置，3D打印工藝參數設置的合理與否直接決定著模型打印質量。

2.1 基本設置

（1）層厚：對于大多數的FDM桌面3D打印機，普通打印質量層厚可選0.2mm，高質量可選0.1mm。增加層厚，打印質量降低，打印速度提升。本模型層厚選取為0.1mm。

（2）壁厚：壁厚過薄，會影響模型打印質量。本模型設定壁厚為1.6mm，模型實際上為實心打印。

（3）底層/頂層厚度：這個參數控制模型底層和頂層的厚度，通過層厚和這個參數計算需打印的實心層的數量，這個數值應該是層厚的倍數。讓這個參數接近壁厚，可以讓模型強度更均勻。本模型設定為2mm。

（4）打印速度：打印速度的設置要參考很多因素，本模型選用打印速度為50mm/s。

（5）打印溫度：本模型打印材料為PLA絲材，打印溫度取210℃。

2.2 高級設置

（1）噴嘴孔徑：有0.2/0.3/0.4/0.5/0.8mm等不同的尺寸，實際應用較多的是0.4mm，本次打印選用的打印機的噴嘴尺寸為0.4mm。

（2） 回退速度：回退絲的速度，設定較高的速度能達到較好的效果，但是過高的速度可能會導致絲的磨損。本模型設置為40mm/s。

（3）初始層厚：較厚的底部能使材料和打印平臺粘附的更好，一般設置比切片厚度有厚一些，本模型設置為0.3mm。

3 模型打印質量分析

遙控器模型打印完成后，去除支撐。遙控器上下蓋表面均為曲率較小的曲面，改變擺放方向，減少分層厚度，分層厚度取0.1mm、打印速度取50mm/s、打印溫度取210℃。模型的表面質量有較大的提高，尤其是兩個重要的外觀面，即遙控器的上下表面，臺階效應大大降低了。從力學性能來看，由于改變擺放方向，使裝配拆卸過程中，模型的受力方向不再垂直于模型分層方向，提高了模型強度，遙控器模型在裝配拆卸過程中未發生斷裂。

4 模型后處理

用銼刀和砂紙對模型的凸凹缺陷進行修整，尤其是剝離支撐材料的位置，需要仔細打磨修整。由于本模型分層厚度選用了0.1mm，且通過合理選擇擺放方向，減少了遙控器的上下表面的切片所造成的幾何誤差，模型表面打印質量較高，故不需要對表面進行刮膩子，直接噴漆。后處理完成后的模型如圖3所示。

5 結論

選用遙控器實例模型，運用Cura切片軟件，通過調整模型擺放方向和優化打印成型工藝參數，對FDM模型成型過程及其成型質量進行了應用研究。

（1）優化了打印速度、溫度、層厚及支撐等工藝參數，打印得到的遙控器模型的表面質量比之前未優化的表面質量顯著提高。

（2）對FDM模型進行了噴漆后處理，進一步提高了模型表面質量，其外觀達到了使用標準。在不附加任何費用的前提下，解決了在常規打印中臺階效應明顯的問題。

參考文獻

[1] 盧秉恒，李滌塵.增材制造（3D打印）技術發展[J].機械制造與自動化，2013，42（4）：1-4.

[2] 高向陽，袁曉懿.聚焦新工業革命與增材制造[J].現代工業經濟和信息化，2013（13）：8-13.

[3] 楊佳歆，鄧椅玲，肖麗娟.大學生短期支教志愿服務質量研究[J].才智，2018（5）：64-65.