3D打印技術研究現狀和關鍵技術研究

魯言霞

（山東省濱州經濟技術開發區中海中學（實驗學校西校區），山東 濱州 256600）

0 引言

基于加工方法和材料的不同，3D打印技術可細分為熔融沉積制造技術、三維粉末黏接成型技術、分層實體制造技術、光固化成型技術等。該文主要圍繞熔融沉積制造技術進行研究，該3D打印技術具備可用材料廣泛、生產設備便宜、操作過程簡單等優勢。路徑規劃是熔融沉積制造技術中的關鍵步驟，該文主要圍繞徑規劃來研究 3D 打印技術。

1 3D打印技術研究現狀

為直觀地展示3D打印技術研究現狀，該文圍繞熔融沉積制造技術、路徑規劃技術進行探討。

1.1 熔融沉積制造技術

該文主要圍繞熔融沉積制造技術進行研究，作為代表性的3D打印技術，該技術可通過打印噴頭將絲狀材料變為熔融狀態擠出，在規劃好的路徑下，實體零件可通過完全固化的材料完成單層制造，該技術原理如圖1所示。

在熔融沉積制造技術的具體應用中，圖1中的打印噴頭會首先下降，直至與打印平臺間相距一個層厚，絲狀材料由加熱器負責加熱，打印平臺由專用加熱裝置進行加熱，完成加熱后計算機控制打印噴頭沿著打印實體截面輪廓移動，絲狀材料熔融后在專業移動過程中擠出，打印噴頭在這一過程中由送絲裝置持續送絲，打印完成一層截面輪廓后，固化的熔融材料粘接前一層，打印噴頭的上移高度為一個層厚，以此反復進行打印，直至完成加工。熔融沉積制造技術多以塑料為打印材料，具備較為簡單的加工原理，材料使用率高，材料成本性低，使用熔融沉積制造技術的3D打印機也具備操作簡單等優勢，這使熔融沉積制造技術近年來快速發展且得到廣泛應用。但受到噴頭吐絲直徑固定的影響，熔融沉積制造技術應用中層厚會受到限制，這使其存在相對有限的成型精度。此外，與其他3D打印技術相比，熔融沉積制造技術的用時較長，這是由于其需要在加工過程中等待材料完全固化，有限的噴頭移動速度也限制其加工效率。

圖 1 熔融沉積制造技術原理示意圖

1.2 路徑規劃技術

在3D打印實踐中，路徑規劃需要在分層處理完成后進行，路徑規劃方法直接影響3D打印效果。對該文研究的熔融沉積制造技術來說，常用的路徑規劃技術包括直線掃描技術、分區掃描技術、輪廓偏置掃描技術、分形掃描技術等。直線掃描技術在應用中需要對截面輪廓逐行掃描填充，基于設定的加工速度控制表面輪廓掃描速度，輪廓空腔處的掃描速度會有所加快。直線掃描技術具備加工速度快、程序簡單等特點，但如果加工模型存在輪廓空腔，打印噴頭需要在不同噴絲速度和行程速度間轉換，這對傳動系統和控制系統的準確性存在較高要求，大量的跳行換轉也使加工過程很容易出現拉絲、誤差問題，最終影響表面成型精度，加工模型打印時因受力不均勻而出現翹邊變形的情況同樣較為常見；圍繞分區掃描技術進行分析可以發現，該技術需要按照分組規則對分層截面輪廓圖進行細分，進而獲取多個相連的小型區域，這類區域掃描按照規定的掃描方式完成。分區掃描技術在應用中的噴頭跳轉僅出現在不同小區域間，可有效預防翹邊變形、噴頭拉絲等問題，但該技術不適用于打印腔體薄厚不均勻、結構不規則的模型，這類打印模型的分區難度過高且存在過于復雜的控制程序，分區不佳對打印質量造成的影響也較為深遠；輪廓偏置掃描技術需要沿外輪廓表面從外向內逐圈掃描，在完成截面輪廓圖最外面掃描后，噴頭會向內逐步移動，直至完成全部掃描。輪廓偏置掃描技術存在相對分散的內應力收縮方向，因此該技術的應用能夠較好規避噴頭空行程、翹邊變形等問題，適用于薄厚均勻、結構規則的打印模型，在這類模型打印中精度較高。但如果打印模型存在腔體薄厚不均勻、結構不規則、偏置路徑重合相交等問題，很容易出現復雜化掃描路徑算法，嚴重時還會導致打印失敗。

分形掃描技術在掃描路徑的生成中應用分形曲線，如Hilbert曲線，在分形幾何原理的支持下，分形曲線可持續繁衍，最終完成完整輪廓的全覆蓋規劃，而受到整體與部分接近一致的分形曲線影響，完整的一層輪廓規劃完成后，即可同時得到一致的層片各個位置規劃結果，進而得到基本一致的加工層片厚度，這種規劃可在完整零件模型上拓展，進而保證3D打印成型質量，該技術的原理如圖2所示。

圖 2 分形掃描技術原理示意圖

結合圖2進行分析可以發現，在應用Hilbert曲線的過程中，打印噴頭的工作方向需要持續改變，這會在一定程度上影響打印機穩定性，打印精度也會同時受到影響。為更好應用分形掃描技術進行路徑規劃，必須對該技術進行進一步改進，這正是該文研究的關鍵所在。

1.3 影響3D打印效率與質量的因素

在通過三維軟件制作STL格式的零件模型后，基于熔融沉積制造技術的3D打印效率和質量會受到多方面因素影響，主要體現在兩個方面：第一，打印實體模型所需時間和成型質量會受到模型放置方向的直接影響，這種影響主要體現在打印支撐使用、表面質量、表面階梯個數等方面，這種影響可在G代碼生成過程中進行改善，很多切片軟件也提供相應功能對模型位置進行調整；第二，模型路徑規劃。在應用不同路徑規劃的過程中，基于熔融沉積制造技術的3D打印效率和質量同樣會受到影響，這與各類路徑規劃技術存在的缺點和特性存在直接關聯。實體模型打印的成型效率和精度要求較高，路徑規劃的有效開展難度較高，為解決相關問題，該文將提出一種新的3D打印路徑規劃技術。

2 新型路徑規劃技術

該文研究的新型路徑規劃技術以上文提及的分形掃描技術為基礎，該節將圍繞新技術的原理、優化后的原始回路生成、優化后的掃描軌跡生成三方面進行深入探討。

2.1 技術原理

為滿足熔融沉積制造技術應用中的模型路徑規劃需要，該文以分形掃描技術為基礎，引入賦權Hamilton回路對其進行優化。分析Hilbert曲線可以發現，基于該曲線的分形掃描成型需要設法改進Hilbert曲線，只有減少其等分次數，才能夠減少軌跡拐點，進而保證掃描過程中的穩定移動，3D打印機的使用壽命也能夠同時延長。但考慮到等分次數的減少可能導致整個截面輪廓無法在分形掃描技術應用中完全填充，為解決相關問題，對Hilbert曲線等分后得到的基礎單元，該文研究基于固定規則對其進行合并處理，分形掃描技術存在的拐點多等問題可由此解決，打印機的使用壽命和3D打印成型質量均可得到更好保證。為基于賦權Hamilton回路優化分形掃描技術，需要明確Hilbert曲線基元單位合并方向，優化路徑連接在之后圍繞合并得到的大分區開展，3D打印過程的噴頭移動距離縮短及速度轉換減少可由此實現，進而取得預期優化效果。Hilbert曲線在應用中能夠劃分整層截面輪廓，同時保證其填充完整，而在Hamilton回路引入后，其同樣以實現路徑最優為目標，因此熔融沉積制造技術應用中的模型路徑規劃優化需要結合Hamilton回路和Hilbert曲線特點，保證掃描路徑最優且打印要能夠更好滿足。

2.2 優化后的原始回路生成

基于無法改變的打印噴頭規格，因此可得到固定的噴頭行走軌跡規格，基于Hilbert曲線，相應點坐標可通過細化坐標方式獲取，掃描路徑坐標和截面輪廓線各點坐標的具體值可由此順利獲取，加工過程中打印機噴頭走向自然能夠同時明確。如存在0.2mm直徑的打印機噴頭，同時存在規則正方向的截面輪廓圖形，具體邊長為1.8mm，即可得到圖3所示的細化坐標后小正方形，具體規格為0.2mm×0.2mm，對應點坐標可基于該圖確定。

圖 3 細化坐標結果

基于Hilbert曲線原理，原始回路的尋找需要首先明確基元回路，即獲得的所有單一回路，對雜亂無章的基元回路，為應對其方向差異，相關基元回路需通過Hamilton回路連接為最優路徑，圖4為基元回路示意圖。

2.3 優化后的掃描軌跡生成

基于優化后的分形掃描技術，掃描軌跡生成過程中的原始回路合并需要從基元回路的生成入手，之后的賦權計算由Hamilton回路完成，為在這一過程中獲取Hamilton回路權函數值最優解，具體由確定，可使用公式（1）進行計算。

式中：為回路權函數值最優解；N為分層薄厚的影響加權因子；V為送料速度與噴頭吐絲速度的影響加權因子；C為噴頭熔絲溫度的影響加權因子；T為打印機啟停延時的影響加權因子。

為進一步確定拐點或初始處基元回路合并方向，須設法確定值最小的方向，具體需要通過式（2）確定，式中的[（，），（，）]代表值最小的方向。

式中：、均為需要合并的基元回路，為起始點基元回路，圖5為合并基元回路的過程。結合該圖進行分析可以確定（a）為合并前的基元回路，如結合式（2）計算確定基元回路1、2間存在最小的值，即可將二者合并，為同時規避島嶼型合并回路出現，仍需使用式（2）進行計算，如計算確定基元回路1、3間存在最小的值，即可進一步合并，以此類推，最終可完成整個截面輪廓區域的基元回路合并，最終得到優化后的分形掃描規劃路徑。

圖 4 基元回路示意圖

為生成掃描軌跡，須把握以下流程：第一，明確合并起點，該起點即為圖5中的基元回路1，之后需要按照圖5依次標記基元回路；第二，基于式（1）對值進行比對，值的最小方向通過式（2）確定，以此合并相鄰基元回路；第三，重復進行合并，兩次合并方向判別后需基于確定的方向合并，直至截面輪廓邊緣；第四，每次合并后需要將被合并基元回路的標注替換為基元回路標注，最終基于標注即可確定最優掃描路徑是否獲取，如基元回路仍存在其他標注，須進一步進行合并處理。

圖 5 合并基元回路過程

圖 6 改進前分形掃描技術打印成品對比圖

3 實例分析

3.1 試驗方法

為驗證新型路徑規劃技術的實用性，選擇Z-603S型號的3D打印機作為試驗設備，該打印機由打印平臺、送絲盤、打印噴頭、傳動裝置、控制裝置、打印機框架等部分組成。在試驗過程中，需要使用切片分層軟件Cure。確定參數后，還需要關注加工代碼的生成，基于確定的加工路徑，在3D打印機中輸入對應G代碼，這種加工代碼由準備、加工過程、結束過程三部分組成，其中最關鍵的是加工過程代碼，其他部分存在基本相同的代碼內容，試驗僅需要通過新型路徑規劃技術改進G代碼，即可完成實例驗證。為生成加工代碼，需要在切片軟件中導入打印模型，結合設置好的打印線材、打印支撐、噴頭工作速度、打印模型厚度等參數，即可獲得G代碼，該G代碼可基于改進的打印掃描軌跡或特殊要求進行修改，修改后的G代碼用于生成加工代碼，最終用于3D打印。

3.2 具體驗證

為驗證該文研究的新型路徑規劃技術實用性，需要圍繞相同的打印實體模型進行對比，這一對比圍繞改進前后的分形掃描技術進行，分別通過二者生成打印路徑并進行打印，這一過程使用熔融沉積制造技術，打印機的打印層厚為0.1mm~0.3mm，噴頭直徑為0.4mm，設置20%的打印填充密度，風扇需要在3D打印過程開啟。基于改進前后分形掃描技術生成的兩種路徑打印長方體模型，可確定改進前分形掃描技術的打印時間為9530s且成形精度高，但同時也打印機工作穩定性較差。改進后的分形掃描技術的打印時間為7990s，同時成形精度較高，工作較為穩定。之所以新型路徑規劃技術在3D打印中表現突出，主要是因為該技術能夠顯著減少打印各層時的噴頭轉換方向次數，這使打印機的穩定性及最終打印成型質量均顯著改善。圖6為改進前分形掃描技術打印成品對比圖，結合該圖可以發現，改進前的分形掃描技術打印成品存在顯著的噴頭行走痕跡，新型路徑規劃技術則基本不存在痕跡，同時新型路徑規劃技術應用后實現15%的打印效率提升。總的來說，在基于熔融沉積制造技術的新型路徑規劃技術應用中，該技術能夠減少翹邊現象、優化路徑規劃、提升打印機穩定性、減少啟停和換向次數，最終提升打印質量，因此該新型路徑規劃技術具備較高推廣價值。

4 結論

綜上所述，3D打印技術的發展前景極為廣闊。在此基礎上，該文涉及的熔融沉積制造技術、新型路徑規劃技術等內容，則直觀展示了3D打印技術的優化應用路徑。推進了3D打印技術發展，打印材料冷卻收縮控制、打印起點科學選擇、軟硬件升級影響應對等方面同樣需要得到重視。