熔融3D打印機(jī)精度的影響因素及解決方法探討

摘" 要：該文從硬件和軟件2部分分析影響3D打印精度的因素。從硬件角度，3D打印機(jī)存在機(jī)體裝配精度不夠、鐵氟龍管堵塞或松動(dòng)、噴頭磨損和耗材受潮的不足；從軟件角度，參數(shù)設(shè)置不合理。上述問題都會(huì)影響3D打印精度，因此針對(duì)不同因素提出有效的改善措施。該文的分析總結(jié)對(duì)3D打印用戶及廠商有指導(dǎo)作用，對(duì)熔融3D打印技術(shù)極具推廣使用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：3D打印；精度；熔融；打印機(jī)；影響因素

中圖分類號(hào)：TQ320.66" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2023）11-00８0-0６

Abstract： This paper analyzes the factors that affect the accuracy of 3D printing from two parts： hardware and software. From the perspective of hardware， 3D printers have deficiencies such as insufficient assembly accuracy of the body， blocked or loose teflon tube， wear of sprinkler heads and damp consumables. From the software point of view， the parameter settings are not reasonable. The above problems will affect 3D printing accuracy， and effective improvement measures are put forward according to different factors. The analysis and summary of this paper plays a guiding role for 3D printing users and manufacturers， and is of great value in popularizing and using fused 3D printing technology.

Keywords： 3D printing; accuracy; melting; printer; influencing factors

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，近年來增材技術(shù)快速發(fā)展。增材技術(shù)中的3D打印技術(shù)在機(jī)械制造、航空航天、醫(yī)療領(lǐng)域和建筑等行業(yè)廣泛應(yīng)用[1]。熔融沉積快速打印具有使用材料便宜、設(shè)備維護(hù)及運(yùn)營成本低、占用體積小、材料環(huán)境友好、個(gè)性化定制和對(duì)復(fù)雜零件進(jìn)行加工的優(yōu)勢，目前已經(jīng)成為發(fā)展最快的快速成型技術(shù)[2]。由于3D打印發(fā)展時(shí)間短，軟件、硬件技術(shù)相對(duì)不成熟，在應(yīng)用上受加工精度及材料性能影響較大，這些問題都制約了3D打印技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展。例如，在工件在加工過程中容易受到3D打印機(jī)裝配精度影響，造成工件表面出現(xiàn)層紋；材料受潮導(dǎo)致噴頭堵塞，造成工件加工時(shí)出現(xiàn)斷層；參數(shù)設(shè)置不匹配，影響工件打印質(zhì)量[3]。

1nbsp; 影響因素及討論

1.1" 噴頭磨損

現(xiàn)有市面上3D打印機(jī)噴頭大部分都是黃銅材質(zhì)，其余為不銹鋼噴頭、鋁合金噴頭、寶石噴頭、硬化鋼噴頭及碳化鎢噴頭等，各個(gè)材料的莫氏硬度不同，造成噴頭的磨損程度不同[4]，具體噴頭性能參數(shù)見表1。導(dǎo)致拉絲的原因之一是噴頭磨損（圖1），噴頭的移動(dòng)距離與層高和擠出寬度有關(guān)，擠出流量與噴頭大小和擠出機(jī)實(shí)際擠出的耗材長度有關(guān)。實(shí)際層高與設(shè)置層高不符、噴頭磨損，抑或是擠出機(jī)沒有經(jīng)過校準(zhǔn)，都會(huì)出現(xiàn)溢料、刮料和拉絲等現(xiàn)象。經(jīng)常打印的話，建議3～6個(gè)月更換一次噴頭。

1.2" 鐵氟龍管堵塞及松動(dòng)

鐵氟龍管有潤滑功能，耗材絲與鐵氟龍管內(nèi)壁長期摩擦，使鐵氟龍管內(nèi)壁粗糙，阻力增大，導(dǎo)致耗材擠出與回抽不順暢，造成缺料與漏料。長時(shí)間打印后，鐵氟龍管熱端受熱變形[5]，應(yīng)及時(shí)拆下氣動(dòng)接頭，更換喉管中的鐵氟龍管，切掉鐵氟龍管發(fā)黑變形部分，重新插入，捅出管內(nèi)異物。鐵氟龍管熱端變形如圖2所示。

鐵氟龍管安裝在氣動(dòng)接頭中，鎖緊氣動(dòng)接頭，防止鐵氟龍管在打印過程中出現(xiàn)移動(dòng)的現(xiàn)象[6]。若排除鐵氟龍管變形問題，可能是管內(nèi)潤滑效果差，耗材運(yùn)送受阻，此時(shí)應(yīng)給鐵氟龍管進(jìn)行上油操作[7]，切兩小塊百潔布，用百潔布蘸取少量潤滑油，不要用工業(yè)潤滑油，建議使用植物油或者食用油。

把圖3中的裝置安裝在擠出機(jī)前端。預(yù)熱打印機(jī)，擠出10 cm耗材后拆除潤滑設(shè)備。鐵氟龍管連接松動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致在打印過程中鐵氟龍管頻繁移動(dòng)，造成耗材擠出與回抽不順暢。若打印頭端氣動(dòng)接頭不能牢牢固定鐵氟龍管，鐵氟龍管與打印頭之間就會(huì)出現(xiàn)縫隙（圖4），打印耗材會(huì)在縫隙間熔化，從而造成打印時(shí)缺料。

鐵氟龍管回正，縫隙間的耗材又會(huì)擠出到打印頭中，造成溢料漏料、拉絲等現(xiàn)象。解決方法有以下3種。

其一，更換氣動(dòng)接頭。圖5中左下角是原廠氣動(dòng)接頭，卡不緊鐵氟龍管。圖5中右側(cè)的氣動(dòng)接頭安裝內(nèi)部有很多齒，能緊緊鎖死鐵氟龍管，避免鐵氟龍管松動(dòng)。

其二，先插入鐵氟龍管，后擰緊氣動(dòng)接頭，用扎帶鎖死鐵氟龍管，如圖6所示。

其三，鐵氟龍管插入到氣動(dòng)接頭中，露出一小截，使用電鉆對(duì)鐵氟龍管進(jìn)行擴(kuò)孔，使用夾具對(duì)鐵氟龍管進(jìn)行擠壓變形，如圖7所示，重新安裝氣動(dòng)接頭，可以有效解決氣動(dòng)接頭對(duì)鐵氟龍管卡不緊的問題。

擠出機(jī)刨料，無法擠出耗材。解決刨料問題，可以嘗試減少擠出機(jī)的夾緊力度，降低打印速度。

1.3" 耗材受潮

耗材裸露在空氣中，水分會(huì)進(jìn)入耗材。受潮耗材如圖8所示。受潮耗材經(jīng)過噴頭加熱，由于噴頭打印溫度在200 ℃以上，耗材中的水分會(huì)被瞬間氣化，形成一個(gè)一個(gè)小空泡。當(dāng)小空泡匯聚成大空泡，會(huì)隨著噴頭內(nèi)的材料一起被擠出，此時(shí)噴頭處有異響，氣泡在不斷膨脹擴(kuò)張過程中釋放壓力，壓力會(huì)阻斷材料的連續(xù)擠出，導(dǎo)致打印機(jī)執(zhí)行回抽失敗，致使多余的材料掛在噴頭出口處[8]。

隨著噴頭的運(yùn)動(dòng)會(huì)出現(xiàn)拉絲的情況。受潮材料因水分的加入，比熱容增加。拉絲過程如圖9所示，氣泡的擴(kuò)張導(dǎo)致耗材會(huì)從噴嘴溢出，耗材未被擠出時(shí)，噴頭從模型的一端移動(dòng)到另一端會(huì)形成線穿珠一樣的拉絲情況。減少耗材拉絲的3種方法：其一，針對(duì)沒有受潮的耗材減少拉絲的辦法是降低溫度，降低黏度。其二，加溫增容，將溫度升到一定程度之后，耗材趨向于一個(gè)液體的狀態(tài)。第一種方法適合類似PLA這種低黏性耗材，第二種方式適合PLA+、ABS+這種黏性比較高的耗材[9]。其三，針對(duì)受潮的耗材，在耗材開封后，需要將其放入一個(gè)干燥的密封箱中。密封箱中倒入干燥劑，保證耗材在3D打印過程中處于干燥狀態(tài)，不會(huì)出現(xiàn)拉絲現(xiàn)象。耗材受潮后，比熱容上升，會(huì)對(duì)打印模型的質(zhì)量產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，尤其是打印大懸垂角度模型時(shí)影響更為嚴(yán)重。打印大懸垂角度的模型時(shí)，打印材料是一層一層向外側(cè)慢慢堆疊上去的，當(dāng)打印到最外層時(shí)，由于材料里面的含水量增加導(dǎo)致比熱容增加，冷卻風(fēng)不能使模型及時(shí)冷卻。在打印懸垂10°～70°左右的模型時(shí)，耗材在打印拐角時(shí)，模型會(huì)往上翹[10]。在打印大于70°的懸垂角度模型時(shí)，模型會(huì)往下掉[11]，如圖10所示。

3D打印不要用過期材料。PLA耗材是由玉米磨成粉后提煉出來的乳酸制成的生物塑料[12]。當(dāng)PLA耗材暴露在空氣中，空氣中的微生物非常喜歡“吃”PLA耗材，會(huì)“鉆”到耗材中，把中間“吃”出各種大小不一的微孔。如果使用過期耗材進(jìn)行3D打印，由于耗材卷長期的彎折，耗材絲已定型，在彎曲的地方受拉應(yīng)力，會(huì)在被微生物吃掉的孔洞部分形成裂痕導(dǎo)致耗材絲斷裂，最終導(dǎo)致模型打印失敗。

1.4" 芯片算力不足

3D打印微小模型時(shí)，模型上會(huì)出現(xiàn)小的鼓包或者堆料的問題，此種問題是由3D打印機(jī)芯片算力不足造成的。廠商在出廠的3D打印機(jī)中都會(huì)加入斷料檢測功能。3D打印機(jī)芯片計(jì)算量一般只有100 kB/s以下，在使用斷電續(xù)打的3D打印機(jī)時(shí)，避免打印過程中突然斷電，要將一部分?jǐn)?shù)據(jù)儲(chǔ)存在SD卡中，芯片再反復(fù)讀取數(shù)據(jù)。主板芯片處理數(shù)據(jù)速度慢，因此打印微小模型時(shí)會(huì)出現(xiàn)讀取速度比打印速度慢的情況，打印機(jī)在讀取完整數(shù)據(jù)后停頓在某個(gè)位置，停頓過程中擠出不會(huì)停止，這時(shí)打印機(jī)停下的位置會(huì)出現(xiàn)一個(gè)一個(gè)小鼓包，這種情況只會(huì)出現(xiàn)在打印較小模型時(shí)[13]。解決此種問題，首先保證耗材處于干燥狀態(tài)并且耗材未過期，不會(huì)出現(xiàn)因耗材受潮膨脹而出現(xiàn)的堆料情況。其次，設(shè)置打印機(jī)的打印分辨率，分辨率設(shè)置為0.01 mm。設(shè)置3D打印機(jī)關(guān)閉斷電續(xù)打功能，解決小鼓包或者堆料問題。

1.5" 主軸剛度

以Prusa MK3S型號(hào)3D打印機(jī)為例（圖11），其由一根X軸、一根Y軸和兩根并列的Z軸組成。X軸上下移動(dòng)，在X軸下方有一個(gè)Y軸托起3D打印的底板，噴頭在X軸上。X軸的兩側(cè)會(huì)多一根金屬桿，絲杠穿過X軸和X軸相連下方的步進(jìn)電機(jī)相連接。步進(jìn)電機(jī)會(huì)帶動(dòng)整個(gè)X軸上下移動(dòng)，這就是I3結(jié)構(gòu)3D打印機(jī)上下運(yùn)動(dòng)原理。

X軸和絲杠的連接是剛性連接，絲杠運(yùn)動(dòng)會(huì)對(duì)X軸的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生影響，絲杠受到加工或者運(yùn)輸?shù)挠绊憰?huì)產(chǎn)生形變。變形的絲杠在旋轉(zhuǎn)移動(dòng)中，會(huì)產(chǎn)生震動(dòng)及橫向移動(dòng)，移動(dòng)的Z軸帶動(dòng)X軸上下左右跳動(dòng)，X軸帶動(dòng)打印噴頭上下左右跳動(dòng)，導(dǎo)致打印模型出現(xiàn)不規(guī)則的層紋[14]。為解決這種情況，要在Z軸安裝穩(wěn)定器，可以有效解決不規(guī)則層紋。

1.6" 參數(shù)設(shè)置

各個(gè)廠家PLA耗材添加成分不同，黏稠程度不同，例如宜家品牌的PLA-T、PLA-F 2種耗材，打印參數(shù)不相同，打印時(shí)需要分別進(jìn)行設(shè)置[15]。用TPU材料打印時(shí)，打印機(jī)參數(shù)中設(shè)置打印速度50 mm/s，正常打印速度在80 mm/s[16]。打印PETG材料的時(shí)候速度不僅要慢，散熱還需要降低。使用不同廠家的材料時(shí)，要在打印參數(shù)設(shè)置中進(jìn)行校準(zhǔn)溫度與回抽參數(shù)。回抽設(shè)置不準(zhǔn)確，層變化時(shí)回抽。回抽距離是耗材被拉回的距離，近程擠出機(jī)一般在1 mm左右，遠(yuǎn)程擠出機(jī)一般是6 mm左右。回抽速度是擠出機(jī)拉回耗材的速度，若速度太慢，回抽時(shí)耗材溢出，若速度太快，擠出機(jī)的齒輪會(huì)研磨耗材，導(dǎo)致擠出不足。設(shè)置如圖12所示。回抽裝填速度是擠出機(jī)將耗材擠出到噴嘴原始位置的速度，其速度設(shè)置在30～80 mm/s[17]。觀察擠出機(jī)的齒輪附近是否有粉塵。粉塵是由擠出機(jī)齒輪對(duì)耗材的磨損所造成的。若發(fā)現(xiàn)擠出機(jī)齒輪旁有較多粉塵，則應(yīng)該降低回抽速度。回抽額外填裝量擠出機(jī)將耗材擠回到其原始位置時(shí)，由于在行駛過程中可能會(huì)滲出少量耗材，因此擠出機(jī)將擠出額外的耗材以補(bǔ)償這種損失。回抽最小空駛設(shè)置允許用戶定義打印機(jī)是否應(yīng)該在短行程移動(dòng)期間執(zhí)行回抽，或者僅在非常大的移動(dòng)中執(zhí)行回抽。較小回抽最小空駛有助于防止拉絲，但可能會(huì)導(dǎo)致耗材磨損、刨料等問題。關(guān)于最大回抽次數(shù)，此打印設(shè)置允許用戶在給定長度的材料上設(shè)置最大回抽次數(shù)。重復(fù)回抽同一位置的耗材會(huì)出現(xiàn)刨料問題，從而降低打印質(zhì)量。最小擠出距離范圍可以指定實(shí)施最大回抽次數(shù)的耗材長度。最大回抽設(shè)置為100，最小擠出距離窗口設(shè)置為10 mm，此情況下，擠出機(jī)只允許在10 mm長耗材上反復(fù)回抽100次。任何后續(xù)的回抽命令都將被忽略。在外壁前回抽是打印外壁前強(qiáng)制回抽，減少表面溢料。回抽時(shí)Z軸抬升防止噴嘴沿著模型的頂部拖動(dòng)，造成劃痕或斑點(diǎn)。對(duì)于打印TPU材料，回抽長度與速度都需要降低，比如遠(yuǎn)程擠出機(jī)回抽距離應(yīng)小于4 mm，回抽速度小于20 mm/s。

PETG材料是一種非常黏的細(xì)絲，相比PLA耗材，回抽速度需要調(diào)低，另外空駛速度也會(huì)影響拉絲現(xiàn)象，若打印頭從一個(gè)點(diǎn)移動(dòng)到另一個(gè)點(diǎn)的時(shí)間過長，則更有可能出現(xiàn)拉絲現(xiàn)象[18]，此時(shí)一般都設(shè)置為150 mm/s。噴頭的移動(dòng)距離與層高和擠出寬度有關(guān)，擠出流量與噴頭大小和擠出機(jī)實(shí)際擠出的耗材長度有關(guān)。實(shí)際層高不等于設(shè)置的層高。擠出機(jī)沒有經(jīng)過校準(zhǔn)，會(huì)出現(xiàn)溢料、刮料和拉絲等現(xiàn)象。遇到此類問題，校準(zhǔn)擠出倍率，支撐限制被撤銷，這個(gè)選項(xiàng)只有開啟支撐后才會(huì)出現(xiàn)，默認(rèn)支撐是不啟用回抽，這可以增加打印速度，但是可能會(huì)發(fā)現(xiàn)支撐附近有拉絲問題，啟用后打印支撐中開啟回抽，需要注意此時(shí)會(huì)增加耗材被研磨的風(fēng)險(xiǎn)。模型部分可以更改方向，比如模型默認(rèn)切片可以看到噴頭來回移動(dòng)，會(huì)出現(xiàn)拉絲等問題，換個(gè)角度重新切片，配合梳理模式，就可以避免出現(xiàn)拉絲等現(xiàn)象[19]。模型分塊打印時(shí)，整體模型打印可能會(huì)出現(xiàn)拉絲問題。使用軟件將模型拆分，分體打印，就不會(huì)有拉絲問題。散熱問題，如果散熱性能差，拉的絲可能不是噴頭中溢出的耗材，而是下方打印件未冷卻的模型。這種情況需要降低打印溫度，提高散熱風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，但這么做可能會(huì)影響打印件強(qiáng)度，所以建議對(duì)溫度進(jìn)行校準(zhǔn)。

2" 結(jié)論

通過實(shí)際操作過程中的總結(jié)與分析，對(duì)于3D打印精度影響因素及解決方法的結(jié)論如下。

1）噴頭長時(shí)間使用會(huì)產(chǎn)生磨損。噴頭磨損會(huì)影響3D打印模型質(zhì)量，噴頭使用3～6月建議更換。

2）鐵氟龍管長時(shí)間使用會(huì)變形，容易造成鐵氟龍管松動(dòng)或者堵塞，定期檢查鐵氟龍管，對(duì)變形的鐵氟龍管進(jìn)行更換，對(duì)松動(dòng)的鐵氟龍管及時(shí)固定。

3）耗材長時(shí)間未使用容易受潮；打印完成后耗材未使用完，應(yīng)及時(shí)將耗材放入干燥箱。

4）由于3D打印芯片算力不足，打印小模型時(shí)，減小打印速度，以增加芯片反應(yīng)時(shí)間。

5）主軸剛度造成模型出現(xiàn)層紋的問題，建議在Z軸上安裝穩(wěn)定器。

6）使用不同的耗材時(shí)，在打印機(jī)設(shè)置中進(jìn)行對(duì)應(yīng)設(shè)置。

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