3D打印成型工藝與質量分析

盛宗建 黃亞 宋鳳蓮

摘要：3D打印技術與傳統加工技術相比有巨大的優勢，也有一定的局限性。為提高成型質量，以 FDM技術工藝為例，分析了FDM技術成型質量的影響因素：工藝參數如支撐角與密封角，成型基準面的設置及模型的后處理。提出了提高FDM技術工藝成型質量的方法，為3D打印成型質量奠定基礎。

關鍵詞：3D打印技術；FDM技術工藝；成型質量；影響因素

Analysis on of 3D Printing Technology and quality

Sheng ZongjianHuang YaSong Fenglian

Wuhan University Engineering training and Innovation practice CenterHubeiWuhan430072

Abstract：3D printing technology has great advantages and limitations compared with traditional processing technology.In order to improve the quality of the molding and take FDM technology as an example，the influencing factors of the forming quality of FDM technology are analyzed：process parameters such as support angle and sealing angle，setting of molding datum surface and post processing of model.The improvement of FDM technology is put forward.The method of molding quality lays the foundation for the quality of 3D printing.

Key words：3D printing technology FDM technology；molding quality；influencing factors

1 概述

3D打印技術是以機械技術、數字技術、材料技術和信息控制技術為依托，只需三維數字模型，便能制造出任意復雜結構零部件的快速成型技術。其最突出優點是不需要任何刀具和模具，便能利用3D打印設備進行零件的三維成型。

3D打印技術目前有七種成型工藝，分別是熔融沉積成型工藝（FDM）、箔材粘結成型工藝（LOM）、粉末燒結成型工藝（SLS）、光固化成型工藝（SLA）、粘結噴射成型工藝（3DP）、材料噴射成型工藝和定向能量沉積成型工藝。[1～3]FDM工藝，因成型過程無毒無味，操作環境干凈，在教育、文創、建筑及醫療領域中應用廣泛。

FDM技術成型工藝過程如圖1所示，由設計CAD三維模型、三維模型的近似處理、STL文件的分層處理、造型工藝參數設置及后處理構成。FDM設備成型原理是利用工程塑料在噴頭中被加熱融化，熔融材料從噴頭底部的噴嘴中擠出，在計算機控制下，噴頭擠出材料并沿零件截面輪廓運動，同時與上一層擠出的材料粘接并在空氣中迅速固化，如此循環便可形成實體零件。[4]

2 FDM技術成型工藝與質量分析

3D打印成型件的質量一直是FDM技術的關鍵所在，在整個零件三維成型過程中，針對各個成型工藝參數對成型質量的影響進行分析。

2.1 工藝參數設置

影響FDM成型質量的工藝參數有很多，如：填充速度、填充率、層厚、打印溫度、平臺溫度、噴嘴直徑、打印速度等工藝參數，其中打印溫度、打印速度及層厚是決定成型精度的三個關鍵要素，三要素之間的合理匹配是獲得高精度成型件的關鍵。需要指出的是，打印溫度是指噴頭的加熱溫度，是決定噴頭能否順利擠出的非常關鍵參數。基于FDM成型材料的不同物理性能，噴頭溫度必須保持稍高于成型材料的融化溫度，確保成型材料達到時順利熔化。

2.1.1 支撐角度與成型角度設置

支撐角度是指支撐面法線方向與成型方向之間的夾角（一般為10°～80°）；密封角是指密封面法線方向與成型方向之間的夾角（一般為30°～60°）。支撐角與密封角如圖2所示。[5]

密封角度設為45°，支撐角度設定為60°和30°，成型仿真模型如圖3所示。

支撐角為60°時，支撐區大于模型底部密封區，支撐對模型底部密封層及側面密封層起支撐和保溫作用，防止了模型出現凹陷。模型底部表面密封層平整，支撐穩固。支撐角為30°時，支撐區小于模型底部密封區，使得打印支撐區邊緣對應的底部密封表面打印時收縮，模型底部表面密封層可能存在凹凸不平整及支撐區邊緣出現凹陷。工藝參數與技術經濟性見表1。

由上表可知支撐角越大，打印模型消耗的材料多，打印效率低。在打印質量要求不是很高的情況下可以適當減小支撐角，以降低成本，提高效率。

2.1.2 成型基準面的選擇

成型基準面的選擇好壞直接影響到模型的打印質量和打印效率以及制造成本。以下是一個多面體的模型有A、B、C三個平面，如圖4所示。這三個平面都可以作為模型的基準打印平面，如圖5所示。

對于同一個模型在密封角和分層厚度一定的情況下，不同的支撐角，不相同的成型基準面打印出模型效率和耗材各不相同，如表2所示。

由上表可以看出，要想獲得低材耗、高效率、高質量的打印模型，需要合理選擇支撐角度和成型基準面。

2.2 后處理

3D打印完成以后還需要進行相應的后處理工序。常用物理法和化學法。物理方法一般包含：對支撐結構的機械剝離如圖6所示，對成型件進行表面處理如打磨、拋光、修補；化學法是用一些有機溶劑與成型材料進行有機反應，生成表面光潔度較高的另一種物質，能夠改善FDM工藝成型件的表面質量差的問題。現在比較成熟的FDM成型材料主要是工程塑料PLA和ABS。對于ABS材料，一般用丙酮蒸汽熏蒸，通過控制反應的時間來改善其表面質量。而PLA材料則是使用氯仿溶液浸泡的方法，處理過程中需要嚴格控制浸泡時間的長短，以取得滿意效果。無論是采用化學法還是物理法都會帶來一些新的尺寸誤差，這些誤差會嚴重影響成型件的尺寸精度，這也是不可忽略的。[67]

圖6 處理前模型（a）處理后模型（b）

3 提高FDM技術成型質量的方法

鑒于FDM過程中各階段的誤差對制件成型質量的影響，提高制件成型質量是FDM技術必然需求。在模型處理前期，采用對CAD實體模型直接進行切片的方法消除因STL文件格式所導致的截面輪廓線誤差以得到精確完整的實體截面輪廓線。改進切片算法，優化切片過程，消除因切片可能導致輪廓線不清、輪廓冗余等問題。在構造模型時盡可能地避開斜面的設計。

（1）設置合適的分層厚度以減少臺階效應。優化工藝參數，針對制件形狀、大小等不同，得到不同的工藝參數以更好地提高成型件的質量和精度。

（2）注意模型在切片時的擺放方向和位置，優化結構，避免過多的支撐，提高成型質量，同時提高構件的成型效率。

（3）選擇合適后處理工藝，防止刮傷工件，以保證制件的精度。

4 結語

FDM技術因工藝環保且成本低廉，將隨著3D打印的發展應用領域日益拓寬。影響FDM技術3D成型質量的因素很多，其影響又是多方面的，只有將合理匹配的工藝參數與成型材料進行統籌考慮，才能整體提高3D成型件的質量。

參考文獻：

[1]曹明元.3D打印快速成型技術[M].機械工業出版社，2017.

[2]王運贛，王宣.3D打印技術[M].武漢：華中科技大學出版杜，2014.

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[4]郭字鵬，李玉新.FDM技術原理特點及成型質量分析[J].科技視界，2016，26.

[5]高善平.FDM快速成型精度及其影響因素分析[J].機電信息，2015（36）：9798.

[6]王濤，候巧紅，蘇玉珍，等.FDM制品精度的影響因素分析[J].科技信息，2012.

[7]李華雄，李大成，馮安平.基于3D打印零件精度及質量控制方法研究Ⅲ.科技經濟導刊，2016（9）：7071.