基于FDM快速成型工藝的佛像3D打印

劉建元 陳亮

【摘 要】采用傳統(tǒng)的數(shù)控加工或多軸聯(lián)動數(shù)控加工難于加工含有復(fù)雜曲面外形及復(fù)雜內(nèi)型內(nèi)腔的零件，F(xiàn)DM快速成工藝采用分層增材制造原理，對佛像的STL文件進(jìn)行分層處理后獲得的截面輪廓信息用于生成驅(qū)動打印噴頭作噴絲掃描運動的加工路徑，一層層的二維掃描噴絲運動堆疊成具有復(fù)雜曲面外形特征的佛像類制品。

【關(guān)鍵詞】FDM STL格式 截面輪廓 層高 掃描方式

佛像類制品一般包含很多復(fù)雜的自由曲面和輪廓特征，如果通過模具或數(shù)控加工進(jìn)行制作，通常需要較多的加工程序有的甚至還要用到多軸聯(lián)動數(shù)控加工，采用FDM原型制作技術(shù)制作佛像無需模具和數(shù)控加工，因而能搞高效率并降低成本。

1 FDM原理及系統(tǒng)組成

快速成型機的加熱噴頭依據(jù)快速成型系統(tǒng)按制品截面輪廓信息生成掃描路徑進(jìn)行掃描噴絲，絲材由送絲機構(gòu)送至噴頭，經(jīng)過加熱、熔化，從噴頭擠出粘結(jié)到工作臺面，然后快速冷卻并凝固。每一層截面完成后，工作臺下降一層的高度，再繼續(xù)進(jìn)行下一層的造型。如此重復(fù)，直至完成整個實體的造型。絲束熔融沉積的層厚由噴頭擠絲的直徑、噴頭的運動速度等決定[1]。

FDM工藝關(guān)鍵是保持熔融的成型材料剛好在凝固點之上，通?？刂圃诒饶厅c高1 ℃左右，目前最常用的熔絲線材主要是ABS、PLA、人造橡膠、鑄蠟和聚酯熱塑性塑料等。

2 采用FDM制作佛像的3D打印工藝過程

（1）設(shè)計打印制品的三維CAD模型。根據(jù)產(chǎn)品的要求，利用UG、Pro/E、Solidworks、MAYA、3DMAX、北京精雕等三維造型軟件設(shè)計產(chǎn)品的3D模型[2]。

（2）制品三維CAD模型的近似處理，得到制品的STL格式文件。產(chǎn)品上有許多不規(guī)則的曲面，在加工前必須對模型的這些曲面進(jìn)行近似處理。目前最普遍的方法是采用美國3D System 公司開發(fā)的STL（Sterolithgraphy）文件格式。用一系列相連的小三角平面來逼近曲面，得到STL 格式的三維近似模型文件。許多常用的CAD設(shè)計軟件都具有這項功能，如Pro/ E 、Solidworks、UG等。

（3）對制品STL文件進(jìn)行分層處理。由于FDM工藝是將模型按照一層層截面加工疊加而成的。所以必須將STL格式的三維CAD模型轉(zhuǎn)化為快速成型制造系統(tǒng)可接受的層片模型。片層的厚度范圍通常在0.15～0.4mm之間。各種快速成型系統(tǒng)都帶有分層處理軟件，能自動獲取模型的截面信息。

圖1 佛像的STL格式模型

3天威CoLiDo桌面3D打印機舉手佛像的3D打印過程

（1）載入用于打印的佛像的STL模型：點擊載入，找到STL文件格式的舉手佛像，載入后的佛像STL模型如圖1所示。

（2）根據(jù)打印的材料選擇PLA或ABS，并根據(jù)模型及效果選擇相應(yīng)的打印模式，具體選項意義為：I）Printrite Best代表最佳模式 ；II）Printrite BIG Model代表大型模型打印模式；III） Printrite draft草稿模式；IV） Printrite Support代表支撐模式。

（3）打印模型的縮放。

1）平移：可以輸入一個數(shù)值來平移需打印的模型，操作時也可以用鼠標(biāo)來平移打印模型。

2）縮放：可以對打印模型進(jìn)行單軸縮放，也可以對打印模型整體按比例縮放，也就是產(chǎn)品的長、寬、高可以在一定比例范圍內(nèi)進(jìn)行任意縮放。

3）旋轉(zhuǎn)：為了使產(chǎn)品盡量減小支撐及提高打印質(zhì)量，可以調(diào)整產(chǎn)品的擺放方位。

（4）參數(shù)置選項。

圖2 相關(guān)打印參數(shù)設(shè)置 圖3 打印噴頭驅(qū)動代碼

1）如圖2所示在Layers and perimeters選項中最主要參數(shù)為設(shè)定分層打印層高，通常情況下，層高值設(shè)定得越小，模型的打印精度越高，表面質(zhì)量越好，但所需的分層處理和打印時間則會相應(yīng)延長，從而降低了打印效率，打印機的默認(rèn)打印層高為0.4mm；2）Infill為填充掃描方式，F(xiàn)DM掃描方式有平行掃描、偏置掃描、螺旋掃描、蜂窩狀掃描等多種掃描方式，默認(rèn)的掃描方式為honeycomb （蜂窩狀掃描），掃描路徑不僅影響打印制件的打印精度和打印效率還影響打印件的變形[1]；3）Speed選項用來設(shè)定噴頭移動速度，本文所述3D打印默認(rèn)速度為60mm/s。設(shè)置好上述參數(shù)后便可點擊生成用于驅(qū)動3D打印噴頭作噴絲掃描運動的代碼，如圖3所示。將圖中所示代碼通過數(shù)據(jù)線發(fā)送給打印機或SD卡拷貝至打印機，便能打印出佛像的真實模型。

4 FDM快速成型工藝的特點

FDM 快速成型系統(tǒng)成本較低，不需要其他快速成型系統(tǒng)中昂貴的激光器；成型材料價格較低；FDM 原型特別適合有空隙的結(jié)構(gòu)，可節(jié)約材料與成型時間；體積小，無污染，是辦公室環(huán)境的理想桌面制造系統(tǒng)。由于采用分層制造原理FDM工藝可適應(yīng)具有非常復(fù)雜曲面外形的佛像類制品，動物模型等的3D打印制作。

FDM制件適用于薄殼體零件及微小零件；原型強度比較好，近似于實體零件，可作為手板概念模型直接驗證設(shè)計。

5結(jié)語

FDM已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于制造行業(yè)，它無需開模及數(shù)控等復(fù)雜的機械加工便可直接得到復(fù)雜產(chǎn)品的模型，降低了產(chǎn)品的生產(chǎn)成本，縮短了生產(chǎn)周期，大大地提高了生產(chǎn)效率，拓展了研發(fā)和設(shè)計的手段并加快了研發(fā)設(shè)計周期，給企業(yè)帶來了較大的經(jīng)濟效益。

參考文獻(xiàn)：

[1]韓霞，楊恩源.快速成型技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2012：47-57.

[2]譚劍鋒等.FDM快速成型技術(shù)在動漫模型制作中的應(yīng)用[J].機械設(shè)計與制造，2014，（6）：233-234.

基金項目：廣東科技學(xué)院重點科研項目 （編號：GKY-2012KYZD-1）

課題：東莞市2014年哲學(xué)社會科學(xué)立項資助課題 （編號：2014ZD02）

作者簡介：劉建元（1974—），男，四川仁壽人，副教授，研究方向為計算機輔助設(shè)計與制造及數(shù)字化快速成型技術(shù)。