淺談FDM打印機(jī)的誤差分析與3D模型質(zhì)量?jī)?yōu)化

朱靜 伍馮潔 韓曉英 黃文愷 吳羽

(廣州大學(xué) 實(shí)驗(yàn)中心，廣州 510006)

3D打印技術(shù)是依托于信息技術(shù)、精密機(jī)械以及材料科學(xué)等多學(xué)科發(fā)展起來的尖端技術(shù)。其學(xué)術(shù)名稱為快速成型技術(shù) (RP:Rapid Prototyping Manufacturing)，也叫增材制造技術(shù) (AM:Additive Manufacturing)，誕生于上世紀(jì)80年代。3D打印技術(shù)的整個(gè)制造過程包括3個(gè)主要環(huán)節(jié):前端數(shù)據(jù)獲取 (3D掃描或建模)，中端數(shù)據(jù)加工處理 (計(jì)算機(jī)軟件輔助)，后端產(chǎn)品打印 (3D打印生成)。傳統(tǒng)制造過程與之相對(duì)應(yīng)的兩種技術(shù)是切削和鑄塑。相比這兩種技術(shù)，3D打印技術(shù) (增材制造)有明顯的優(yōu)勢(shì)，那就是既不像切削那樣浪費(fèi)材料，也不像鑄塑那樣要求先制作模具。一次成型，快速個(gè)性化定制是它的重要特點(diǎn)，這在小批量，多品種 (個(gè)性化)的生產(chǎn)中占有非常大的優(yōu)勢(shì)，亦使生產(chǎn)制造得以向更廣的人群范圍延伸。

目前市面上大多數(shù)的3D打印機(jī)都是基于熔融沉積制造 (FDM)技術(shù)進(jìn)行制造生產(chǎn)的，隨著技術(shù)的更新?lián)Q代和制造成本的下降，基于此技術(shù)的3D打印機(jī)會(huì)逐漸進(jìn)入平常家庭的使用范圍。FDM成形技術(shù)之所以能得到快速發(fā)展，主要是因?yàn)樵摷夹g(shù)變雜性低，成本低廉，軟件開源，易于推廣［1］。但基于該技術(shù)的3D打印快速成形制造在原理性、數(shù)據(jù)處理及打印過程中會(huì)產(chǎn)生各種誤差，導(dǎo)致模型精度下降。文中對(duì)熔融沉積成形的3D打印成形過程中，由于噴頭溫度和平臺(tái)溫度、擠出速度、填充速度、成形時(shí)間和擺放方式等因素對(duì)模型質(zhì)量的影響進(jìn)行了研究，提出了提高成形件精度和表面質(zhì)量的系列措施，這對(duì)改善模型質(zhì)量具有一定的指導(dǎo)意義。

1 基于FDM的3D打印技術(shù)簡(jiǎn)介

熔融沉積打印技術(shù) (FDM)是將絲狀的熱熔性材料加熱融化，同時(shí)三維噴頭在計(jì)算機(jī)的控制下，根據(jù)截面輪廓信息，將材料選擇性地涂敷在工作臺(tái)上，冷卻后形成模型。如圖1所示，技術(shù)原理主要表述為:生物降解塑料聚乳酸 (PLA)等熱熔材料通過擠出機(jī)被送進(jìn)可移動(dòng)加熱噴頭，在噴頭內(nèi)被加熱熔化，噴頭根據(jù)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的控制，讓噴頭沿著零件截面輪廓和填充軌跡運(yùn)動(dòng)，同時(shí)將半熔融狀態(tài)的材料按軟件分層數(shù)據(jù)控制的路徑擠出并沉積在可移動(dòng)平臺(tái)上凝固成形，并與周圍的材料粘結(jié)，層層堆積成形。

該技術(shù)主要優(yōu)點(diǎn)在于:1)價(jià)格低廉、易于實(shí)現(xiàn);2)以綠色無毒材料為原料 (如PLA材料等);3)成形速度快，可進(jìn)行復(fù)雜內(nèi)腔的制造 (如PLA等材料熱變化不明顯，零件翹曲現(xiàn)象不明顯);4)成本較低。其主要缺陷主要表現(xiàn)在:成型件表面會(huì)出現(xiàn)階梯效應(yīng)，表面精度較低，需要后處理，復(fù)雜零件更需要打印支撐。

圖1 FDM成形技術(shù)示意圖

2 FDM模型打印質(zhì)量的誤差分析

3D打印遵循的是加法原則，這與傳統(tǒng)的制造業(yè)去除材料加工技術(shù)不同。在制造零件前必須首先設(shè)計(jì)出所需零件的三維模型，然后根據(jù)工藝要求，利用處理軟件將該模型離散為一系列有序的單元，通常在Z軸向上將其按一定厚度進(jìn)行分層，把原來的三維CAD模型轉(zhuǎn)化為一系列的層片;再根據(jù)每個(gè)層片的輪廓信息，輸入加工參數(shù)，自動(dòng)生成數(shù)控代碼;最后由成形系統(tǒng)成形一系列層片并自動(dòng)將它們聯(lián)接起來，得到三維實(shí)體。

目前因該技術(shù)的3D打印快速成形制造在原理性、數(shù)據(jù)處理及打印過程中產(chǎn)生各種誤差，導(dǎo)致模型精度下降。下面將對(duì)3D打印快速成形制造技術(shù)在進(jìn)行快速制造過程中產(chǎn)生的誤差進(jìn)行詳細(xì)的分析［2］，以便后續(xù)針對(duì)各種因素進(jìn)行打印質(zhì)量的優(yōu)化。

1)建模數(shù)據(jù)處理產(chǎn)生的誤差。在模型零件建模完成之后，需要將其進(jìn)行數(shù)據(jù)方面的轉(zhuǎn)換，目前應(yīng)用最為廣泛的就是STL格式文件，主要是用小三角面片來近似的逼近任意曲面模型或者實(shí)體模型，能夠較好的簡(jiǎn)化CAD模型的數(shù)據(jù)格式，同時(shí)在之后的分層處理時(shí)，也能夠較好的獲取每層截面輪廓上的相對(duì)于模型實(shí)體上的點(diǎn)。所以在用建模軟件輸出STL文件時(shí)需要確定精度，也就是模擬原模型的最大誤差，選擇適合的誤差，可兼顧效率和精度兩方面的要求。另外，對(duì)模型進(jìn)行分層處理的過程中也會(huì)產(chǎn)生一定的誤差，這種誤差屬于原理性誤差。分層處理是在STL文件轉(zhuǎn)換之后，把STL格式文件導(dǎo)入3D打印處理軟件進(jìn)行逐層切片處理。因?yàn)榉謱泳哂幸欢ǖ暮穸?，?duì)微小的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分層時(shí)難免會(huì)產(chǎn)生數(shù)據(jù)的丟失，導(dǎo)致成形件形狀和尺寸上的誤差。

2)打印過程中的誤差分析。加工設(shè)備自身都存在著一定的誤差，機(jī)器本身造成的是成形件的原始誤差。成形平臺(tái)誤差分為XY水平方面誤差和Z方向誤差。水平方向的誤差主要是由于打印平臺(tái)不平引起的。平整度不夠的成形平臺(tái)會(huì)影響模型底層制造的掃描和填充，而底層的成形質(zhì)量是模型整體成形質(zhì)量的保證。而Z方向誤差，主要體現(xiàn)在對(duì)鋪層厚度的影響。因?yàn)榭焖俪尚渭夹g(shù)是基于層層堆疊制造的加工工藝，所以層高是影響模型表面質(zhì)量的最直接因素，并將直接影響到成形件的精度。

同時(shí)，在打印過程中，噴頭工作都存在開啟延時(shí)和關(guān)閉延時(shí)。打印過程開始時(shí)，噴頭接受指令進(jìn)行送絲，但絲料不會(huì)立刻從噴嘴擠出，這是因?yàn)槌尚尾牧弦?jīng)歷加熱過程變成熔融態(tài)，接著熔融態(tài)的材料填滿加熱腔體，最后通過持續(xù)送料產(chǎn)生的壓力才會(huì)將材料擠出，該過程的間隔即為開啟延遲時(shí)間。另外，當(dāng)成形完成，噴嘴停止送料時(shí)，噴嘴里的熔融材料在壓力的作用下，仍會(huì)繼續(xù)擠出一段時(shí)間才會(huì)停止出絲。該段時(shí)間間隔即為關(guān)閉延遲時(shí)間。開啟延時(shí)和關(guān)閉延時(shí)都會(huì)對(duì)模型的表面質(zhì)量造成影響，出現(xiàn)層面輪廓缺失或者成形結(jié)束后在模型表面形成瘤狀物。目前市面上許多廠家對(duì)噴嘴結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，這在一定程度上降低了延時(shí)效應(yīng)造成的影響。

3)參數(shù)設(shè)置對(duì)精度的誤差影響。對(duì)模型精度影響較大的參數(shù)，主要包括成形溫度、擠出速度、打印速度及延遲時(shí)間等［3］。成形溫度包括擠出頭噴嘴溫度和成形環(huán)境溫度。噴嘴溫度是指工作狀態(tài)下噴嘴的溫度，環(huán)境溫度通常是指成形室的溫度。對(duì)于一種成形材料，噴頭溫度的理想狀態(tài)是材料保持熔融狀態(tài)而又不會(huì)從噴嘴滴出。噴嘴溫度過高或過低，就會(huì)發(fā)生牽絲或絲料粘連現(xiàn)象，容易造成模型的變形。擠出速度指的是噴嘴利用壓力將材料從噴嘴擠出的速度。打印速度指的是噴嘴整體的移動(dòng)速度。在逐層填充成形的過程中，必須保證擠出速度和打印速度的高度匹配才能保證模型的成形精度。模型的每一層都是一個(gè)封面空間，由很多路徑共同組成，而每條路徑都有相應(yīng)的起停點(diǎn)。起停點(diǎn)處的絲料控制是影響模型表面質(zhì)量的重要因素，所以必須保持?jǐn)D出速度和打印速度在一個(gè)恰當(dāng)?shù)谋壤稀Ｍ瑫r(shí)，開啟延遲和斷絲延時(shí)設(shè)置不當(dāng)，也會(huì)對(duì)模型的表面質(zhì)量產(chǎn)生很大的影響［4－5］。

4)打印后處理產(chǎn)生的誤差。模型打印完成后，需要將模型去下并去除支撐，對(duì)于固化不完全的還需要二次固化。固化完成后需要對(duì)其進(jìn)行拋光、打磨和表面處理等工序，將這些稱之為后處理。如果處理不當(dāng)，可能對(duì)模型的尺寸和表面質(zhì)量等造成破壞，產(chǎn)生后處理誤差。

3 影響模型打印質(zhì)量的因素分析

由上可知，各類參數(shù)、設(shè)備本身和處理工藝，均會(huì)影響到模型打印質(zhì)量，其中，打印參數(shù)和擺放形式對(duì)打印質(zhì)量影響最為顯著。

1)打印參數(shù)對(duì)打印質(zhì)量的影響。打印參數(shù)指的是打印模型的設(shè)置的一些非常重要的參數(shù)屬性，其中主要包括了三類重要的參數(shù)。其一為噴頭溫度和平臺(tái)溫度、擠出速度、填充速度和成形時(shí)間等設(shè)備參數(shù);其二為填充密度與填充模式等填充參數(shù);其三為層高、外殼層數(shù)、頂層厚度和底層厚度等模型屬性參數(shù)。這些參數(shù)的選擇，對(duì)模型打印質(zhì)量有巨大的影響。

①設(shè)備參數(shù)對(duì)打印質(zhì)量的影響。在模型打印過程中的許多設(shè)備參數(shù)及參數(shù)之間的相互作用都會(huì)影響模型的精度。然而，實(shí)踐表明，盡管各種因素對(duì)成形件精度和成形時(shí)間都有或多或少的影響，但起主要作用的還是噴頭溫度和平臺(tái)溫度、擠出速度、填充速度和成形時(shí)間等幾個(gè)參數(shù)［6］。

噴頭溫度和平臺(tái)溫度決定了材料的粘結(jié)性能和堆積性能、材料流量以及擠出絲寬度。噴頭溫度太低，則材料粘度加大，出絲速度變慢，這不僅加重了擠壓系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，極端情況下還會(huì)造成噴嘴堵塞、出絲齒輪打滑等問題，而且材料層間粘結(jié)強(qiáng)度降低，還會(huì)引起層間剝離;而溫度太高，材料偏向于液態(tài)，粘性系數(shù)變小，流動(dòng)性強(qiáng)，擠出過快，無法形成可精確控制的絲，引起材料坍塌和破壞。圖2為使用PLA材料在相同成形室條件下，不用同噴頭溫度進(jìn)行打印的細(xì)小圓柱模型。從圖2中可以看到有一段模型打印質(zhì)量非常差，另外一段則打印質(zhì)量較好。從圖可以了解到在210℃下打印的細(xì)小圓柱打印質(zhì)量非常糟糕，出現(xiàn)坍塌現(xiàn)象，而在190℃下打印的細(xì)小圓柱打印效果更佳，基本能保持原有形狀不坍塌，且精度較高。因此，噴頭溫度和成形室溫度應(yīng)綜合考慮材料的性質(zhì)和不同季節(jié)室溫在一定范圍內(nèi)選擇，以保證擠出的絲呈較好的熔融流動(dòng)狀態(tài)。

圖2 細(xì)小圓柱模型示意圖

同時(shí)，擠出速度和填充速度也會(huì)在很大程度上影響打印精度、在層高或者填充速度等設(shè)置比較大的時(shí)候，噴頭的加熱功率跟不上擠出速度所需的功率就很容易出現(xiàn)堵頭或者進(jìn)料齒輪打滑等現(xiàn)象，因此這里就只能選擇比較小的值，以滿足噴頭擠出總量的限制。另外，當(dāng)擠出速度較高時(shí)，還有可能會(huì)出現(xiàn)材料溢出現(xiàn)象，大大降低打印精度。因此為了打印的模型更加精細(xì)，在選擇擠出速度和填充速度時(shí)必須要謹(jǐn)慎設(shè)置。

②填充參數(shù)對(duì)打印質(zhì)量的影響。對(duì)模型打印質(zhì)量影響較大的填充參數(shù)，主要指的是模型的填充密度與填充模式。填充密度顧名思義就是填充物的填充密度，以百分比作單位，就是說填充密度是以打印的材料占總體積的百分之多少來描述的。因填充物影響到模型的強(qiáng)度、質(zhì)量和打印時(shí)間，所以如何選擇填充密度有一定的技巧。同時(shí)，每一種材料都有自身的各方面性能，需要充分了解材料性能，才能很好地把握填充密度的選擇。因此在設(shè)置填充密度時(shí)應(yīng)綜合考慮材料的性能和零件模型的具體要求來設(shè)置，強(qiáng)度需求高填充密度就高，強(qiáng)度需求低填充密度也低，這樣即可以最大限度減少不必要的材料浪費(fèi)，也節(jié)約時(shí)間。

除了填充密度，填充模式也對(duì)模型強(qiáng)度有較大的影響，常用的填充模式有線性和六角形兩種。線性填充是指形成正方形孔狀的網(wǎng)絡(luò)，是線性的，橫平豎直非常規(guī)整的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu);六角形填充是形成六角形孔狀的網(wǎng)絡(luò)，是非線性的，為蜂窩狀，因?yàn)榉涓C狀的結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定和堅(jiān)硬的特點(diǎn)，可使模型的強(qiáng)度得到一個(gè)很大的提升。所以市場(chǎng)上大部分的機(jī)器默認(rèn)均為蜂窩狀結(jié)構(gòu)的填充模式，

③模型屬性參數(shù)對(duì)打印質(zhì)量的影響。層高指的是每一層的高度，是影響打印速度和打印精度的最重要參數(shù)之一。按照FDM打印機(jī)的原理，擠出機(jī)擠出熔化的材料然后一層一層的往上堆疊，而每一層的高度即層高，故很容易理解層高設(shè)置得越大，打印同樣的模型花費(fèi)的時(shí)間就短，相應(yīng)的其打印精度就更低。而層高設(shè)置得越小，打印同樣的模型花費(fèi)的時(shí)間就越長(zhǎng)，但其打印精度就越高。因此在設(shè)置層高時(shí)應(yīng)全面考慮精度，時(shí)間是否允許等問題［7］。

外殼層數(shù)指的是包裹在填充物外圍的材料的層數(shù)，例如參數(shù)為2即指外層包圍了兩層材料在填充物外。模型外殼的強(qiáng)度很大程度上控制著整個(gè)模型的強(qiáng)度，也直接影響到模型的外觀，層數(shù)越多，模型強(qiáng)度越大，但也更耗費(fèi)材料。頂層厚度與底層厚度分別指的是打印最頂層時(shí)的厚度和打印最底層的厚度，他們厚度的多少?zèng)Q定著模型頂層或者底層的質(zhì)量。這一類參數(shù)設(shè)置的過低，往往容易造成模型的外殼破損。

2)擺放形式對(duì)打印質(zhì)量的影響。除了軟件參數(shù)的設(shè)置外，3D打印模型的過程中，打印模型的擺放形式對(duì)打印質(zhì)量的影響也是一個(gè)不可忽視的問題。在實(shí)際操作中發(fā)現(xiàn)，設(shè)置相同參數(shù)的情況下，模型表面質(zhì)量也會(huì)由于數(shù)字模型在成型空間中的放置形式而不同［8］。想要打印出高質(zhì)量的模型來，除了設(shè)置好基本參數(shù)外，還需要把模型按照合適的形式擺放在平臺(tái)上進(jìn)行打印，需要平時(shí)不斷積累經(jīng)驗(yàn)，才能高質(zhì)量地打印出模型。

3D打印過程中有時(shí)候必須使用到的一種輔助方式就是打印支撐。如果模型上層截面區(qū)域大于下層截面區(qū)域時(shí)，在切片成形過程中就可能需要添加支撐，導(dǎo)致模型加工時(shí)間長(zhǎng)、材料消耗大、處理難度提高，并在表面留下痕跡，嚴(yán)重降低支撐部分表面質(zhì)量［9］。前面的章節(jié)也提到打印支撐勢(shì)必會(huì)對(duì)打印模型的質(zhì)量有一定的影響，因此在加工時(shí)應(yīng)結(jié)合模型受力要求，對(duì)否選擇使用支撐進(jìn)行打印需做全面的考量。

4 結(jié)語

綜上所述，處理軟件、加工設(shè)備、參數(shù)設(shè)置及后期處理都會(huì)給打印的模型帶來產(chǎn)生各種誤差，從而導(dǎo)致模型精度下降。若要有效提高模型精度和打印質(zhì)量，必須綜合考量模型對(duì)強(qiáng)度、精度、耗時(shí)及后期處理等影響成型質(zhì)量的重要要求，合理設(shè)置各項(xiàng)參數(shù)，同時(shí)結(jié)合受力狀況謹(jǐn)慎選擇擺放方式，眾多因素共同作用方能成就高質(zhì)量打印效果。同時(shí)，在很多情況下，需要結(jié)合模型設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)驗(yàn)豐富后，便可逐步打印出高質(zhì)量的產(chǎn)品。

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