基于斜面結(jié)構(gòu)產(chǎn)品FDM 式3D 打印方法的研究及應(yīng)用

馬永軍,杜海平，高靈寶,虎 成,周子翔

（共享智能鑄造產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新中心有限公司，寧夏銀川 750021）

1 背景

熔融沉積成型（FDM）是3D 打印技術(shù)的一種，在3D 打印領(lǐng)域有著至關(guān)重要的地位。FDM成型技術(shù)主要依靠打印頭和打印平臺(tái)的移動(dòng)實(shí)現(xiàn)三維立體模型[3]的構(gòu)建。在整個(gè)熔融沉積成型（FDM）過(guò)程中，線材[4]扮演著至關(guān)重要的角色，F(xiàn)DM 設(shè)備將材料在半流體狀態(tài)時(shí)擠壓出來(lái)，材料瞬時(shí)凝固成有輪廓的薄層，層層的堆積形成整個(gè)三維零件。其優(yōu)點(diǎn)在于尺寸精度穩(wěn)定，使用壽命長(zhǎng)，制作周期短，逐步開(kāi)始應(yīng)用在了鑄造行業(yè)中。

該研究方案針對(duì)采用FDM 技術(shù)[5]打印帶有斜面結(jié)構(gòu)產(chǎn)品時(shí)產(chǎn)品斜面部分在精加工時(shí)出現(xiàn)孔洞的缺陷，提供了一種用于打印帶有斜面結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的FDM式3D 打印方法，通過(guò)設(shè)定斜面結(jié)構(gòu)的表皮層和延伸量，來(lái)增加斜面結(jié)構(gòu)的實(shí)體區(qū)域，從而實(shí)現(xiàn)斜面區(qū)域的實(shí)體打印，避免了斜面上孔洞的出現(xiàn)，保障了產(chǎn)品的工作強(qiáng)度。

2 實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中存在的問(wèn)題

FDM 的桌面機(jī)[6]雖然打印技術(shù)十分成熟，但是在鑄件模具尺寸大的情況下，通用的擠出絲線寬度在2～20mm，成型后為了確保表面的尺寸、粗糙度等精度，需要進(jìn)行精加工。而在精加工的過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)發(fā)現(xiàn)在產(chǎn)品耐受工作范圍內(nèi)有孔洞，特別是對(duì)于帶有斜面結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品，從而影響了產(chǎn)品的使用強(qiáng)度，造成產(chǎn)品報(bào)廢或者需要返工處理。

隨著行業(yè)領(lǐng)域?qū)Ξa(chǎn)品精度要求增強(qiáng)，擠出絲線寬度要求越來(lái)越高，對(duì)于FDM生產(chǎn)的斜面結(jié)構(gòu)產(chǎn)品精度增加。根據(jù)目前現(xiàn)有設(shè)備狀態(tài)，打印帶有斜面結(jié)構(gòu)產(chǎn)品時(shí)產(chǎn)品斜面部分在精加工時(shí)出現(xiàn)孔洞的缺陷，造成產(chǎn)品報(bào)廢或者需要返工處理進(jìn)而增加成本，這就成了我們急需解決的問(wèn)題。

3 斜面產(chǎn)品打印方法原理

本課題研究采用FDM技術(shù)打印[6]大型斜面產(chǎn)品時(shí)，為了提高打印速度、提升產(chǎn)品質(zhì)量，并且不影響產(chǎn)品的使用強(qiáng)度的前提下，將產(chǎn)品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)分為網(wǎng)格區(qū)域和實(shí)體區(qū)域，其中實(shí)體區(qū)域是用來(lái)保證產(chǎn)品的整體強(qiáng)度，流程圖如圖1 所示。

圖1 FDM打印流程圖

本打印方法用于打印多圈輪廓、多個(gè)輪廓產(chǎn)品，包括以下步驟：

第一步，采用三維切片技術(shù)將產(chǎn)品的三維模型切片（記為X 片），讀取每個(gè)切片面的三維數(shù)據(jù)信息，并將所述三維數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)化成二維圖形數(shù)據(jù)格式。

第二步，調(diào)用所述打印產(chǎn)品的表皮層層數(shù)N和延伸量A。

說(shuō)明1：表皮層是指產(chǎn)品表面需要加工區(qū)域預(yù)留的加工量與為滿足產(chǎn)品使用強(qiáng)度要求的實(shí)體區(qū)域厚度的總和；

說(shuō)明2：延伸量即對(duì)某一區(qū)域向外擴(kuò)展延伸的尺寸；

說(shuō)明3：所述表面層層數(shù)N 和延伸量A 為兩個(gè)固定的常數(shù)。

第三步，求取當(dāng)前第X 層的表面層區(qū)域，即第X 層和第X+N 層（即第Y 層）兩層的相對(duì)補(bǔ)集（或者叫作差集X-Y）。

第四步，將所述相對(duì)補(bǔ)集X-Y 按照設(shè)定的延伸量A 增大到Z。

第五步，求取所述二維數(shù)據(jù)Z 與所述第X 層的交集X∩Z，所述交集X∩Z 即為所述第X 層上對(duì)應(yīng)的表皮層區(qū)域。

第六步，將所述交集X∩Z 調(diào)取到打印數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)表皮層的實(shí)體打印。

第七步，對(duì)產(chǎn)品的每層切片進(jìn)行以上六步的處理，即可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品斜面部分整體實(shí)體區(qū)域的打印。

下面通過(guò)具體實(shí)施并結(jié)合附圖對(duì)本打印方法做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。

如圖2 所示帶有斜面的產(chǎn)品，按照三維切片工藝分為16 層。按照產(chǎn)品的工藝、質(zhì)量要求，產(chǎn)品的表皮層層數(shù)N=3，其延伸量A=4mm。

圖2 實(shí)施例產(chǎn)品的切片示意圖

計(jì)算第一層切片上的表皮層區(qū)域的方法是：取第1 層與第4 層的相對(duì)補(bǔ)集如圖3 所示的深色區(qū)域，接著將所述相對(duì)補(bǔ)集的四周增大4mm，再用增大后的相對(duì)補(bǔ)集的二維數(shù)據(jù)與第1 層切片的二維數(shù)據(jù)求取交集，即可得到第1 層切片上對(duì)應(yīng)的表皮層區(qū)域。按照此方法求取所述斜面產(chǎn)品16 層切片上分別對(duì)應(yīng)的表皮層區(qū)域，將所述表皮層區(qū)域的數(shù)據(jù)傳輸?shù)酱蛴?shù)據(jù)庫(kù)，即可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品斜面表皮層的實(shí)體打印，如圖4 所示，從而保證了產(chǎn)品整體的工作強(qiáng)度，同時(shí)避免了產(chǎn)品斜面在精加工中出現(xiàn)孔洞的缺陷。

圖3 求取相對(duì)補(bǔ)集的示意圖

圖4 求取斜面實(shí)體打印區(qū)域示意圖

4 實(shí)際應(yīng)用

因?yàn)樵趯?shí)際FDM打印生產(chǎn)過(guò)程中，產(chǎn)品斜面角度過(guò)大，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行精加工時(shí)，表面就會(huì)出現(xiàn)空洞缺陷，導(dǎo)致產(chǎn)品無(wú)法使用而報(bào)廢，造成經(jīng)濟(jì)損失。通過(guò)設(shè)定產(chǎn)品表皮層的實(shí)體打印區(qū)域，保證了產(chǎn)品的整體質(zhì)量，縮短成型時(shí)間，提升打印效率。

應(yīng)用上述FDM 打印方法實(shí)現(xiàn)斜面結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品，通過(guò)設(shè)定斜面結(jié)構(gòu)的表皮層和延伸量，來(lái)增加斜面結(jié)構(gòu)的實(shí)體區(qū)域，解決產(chǎn)品結(jié)構(gòu)過(guò)大，出現(xiàn)空洞缺陷的情況，從而增強(qiáng)了產(chǎn)品的使用強(qiáng)度，減少產(chǎn)品報(bào)廢或者需要返工處理的時(shí)間。

5 結(jié)論

本文研究的是帶有斜面結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的FDM 式3D 打印[7，8]方法，通過(guò)設(shè)定產(chǎn)品表皮層的實(shí)體打印區(qū)域，保證了產(chǎn)品的整體質(zhì)量，且通過(guò)設(shè)定表皮層的厚度和延伸量的大小，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品每層切片上表皮層打印區(qū)域二維數(shù)據(jù)的確定，從而為打印提供了基準(zhǔn)。

此方法避免了FDM打印過(guò)程中表皮塌陷，提升了斜面成型質(zhì)量，縮短了表面成型時(shí)間。同時(shí)由于表面的實(shí)體打印，避免了由于斜面角度過(guò)大，在精加工時(shí)出現(xiàn)的表面孔洞缺陷。