不同型號(hào)ideaprinter 3D打印機(jī)及其性能參數(shù)對(duì)成型質(zhì)量的影響

趙小娟張開(kāi)發(fā)高 偉（.武昌工學(xué)院機(jī)械工程系，湖北 武漢 430065；.武漢船舶設(shè)計(jì)研究院，湖北 武漢 430060）

不同型號(hào)ideaprinter 3D打印機(jī)及其性能參數(shù)對(duì)成型質(zhì)量的影響

趙小娟1張開(kāi)發(fā)2高 偉2
（1.武昌工學(xué)院機(jī)械工程系，湖北 武漢 430065；2.武漢船舶設(shè)計(jì)研究院，湖北 武漢 430060）

分別使用ideaprintF100型及 F100L 型3D打印機(jī)打印制造，詳細(xì)分析了打印設(shè)置中幾種重要參數(shù)對(duì)其成型質(zhì)量的影響及其產(chǎn)生的原因。通過(guò)實(shí)際打印設(shè)計(jì)的試驗(yàn)，獲得數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析，通過(guò)對(duì)每組參數(shù)下試驗(yàn)結(jié)果是否產(chǎn)生、產(chǎn)生了多大的差異進(jìn)行分析，得出對(duì)以后的設(shè)計(jì)、試驗(yàn)有參考價(jià)值的結(jié)果。

3D打??；熔融沉積成型技術(shù)；性能參數(shù)；成型質(zhì)量；粗糙度

通常說(shuō)的3D打印技術(shù)，其實(shí)是代指快速成型技術(shù)，它的學(xué)術(shù)名稱是增材制造或快速成型技術(shù)，是指通過(guò)化學(xué)、物理、機(jī)械等方法，有序添加材料，堆積成型[1]。傳統(tǒng)的制造技術(shù)如注塑法、模塑法可以以較低的成本大量制造聚合物產(chǎn)品，而3D打印技術(shù)則可以以更快、更有彈性以及更低成本的辦法生產(chǎn)數(shù)量相對(duì)較少的產(chǎn)品[2]。3D打印技術(shù)始于20世紀(jì)90年代，隨著材料科學(xué)和計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)的高速發(fā)展，3D打印技術(shù)逐漸介入我們生活的方方面面，并逐步實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。目前，3D打印技術(shù)主要用于汽車(chē)零部件及特殊機(jī)械元器件的制作[3]、人造器官的制作成型，以及人工骨骼的制作，乃至冰淇淋、奶油蛋糕等食品的成型[4,5,6]。在創(chuàng)意設(shè)計(jì)行業(yè)，已有將3D打印技術(shù)應(yīng)用于服裝、高跟鞋的制作嘗試，對(duì)于一些特殊的文創(chuàng)產(chǎn)品制作，3D打印技術(shù)也將會(huì)有廣闊的應(yīng)用前景[7]。

3D打印機(jī)的分辨率高低直接影響打印成品的光滑度，現(xiàn)有的打印機(jī)分辨率對(duì)大多數(shù)應(yīng)用來(lái)說(shuō)已經(jīng)足夠。但在打印一些特殊物件彎曲的表面過(guò)程中，由于計(jì)算機(jī)圖像處理的不足，導(dǎo)致彎曲表面光滑度不夠。如何處理這種情況，成為業(yè)界研究的一個(gè)重點(diǎn)[8]。本研究擬采用不同型號(hào)的ideaprint 型3D打印機(jī)打印彎曲呈表面的工件，探究打印設(shè)置中幾種重要參數(shù)對(duì)其成型質(zhì)量的影響及其產(chǎn)生的原因，旨在為3D打印技術(shù)的應(yīng)用提供參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)設(shè)備及檢測(cè)儀器

試驗(yàn)所使用的3D打印機(jī)是基于熔融沉積成型技術(shù)的一種快速成型設(shè)備。

ideaprinterF100型3D打印機(jī)，ideaprinterF100L型3D打印機(jī)：上海復(fù)翔信息科技有限公司生產(chǎn)。

檢測(cè)儀器：粗糙度測(cè)量?jī)x。

2 試驗(yàn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)介紹

試驗(yàn)產(chǎn)品是通過(guò)Solidworks軟件建立三維模型。此模型為中空件，且外表面形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜，曲面過(guò)渡有圓弧形與棱形差別，且厚度不均，表面粗糙程度有差別。股骨結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 股骨的結(jié)構(gòu)

3 試驗(yàn)方法

本次試驗(yàn)所考慮的產(chǎn)生區(qū)別的參數(shù)設(shè)置分別為：三維建立的模型轉(zhuǎn)換為STL文件時(shí)的品質(zhì)參數(shù)設(shè)置、3D打印機(jī)不同速度的打印方案以及不同的支撐方法。具體的不同參數(shù)的選擇如下：

STL文件的精度：由Solidworks軟件轉(zhuǎn)化格式時(shí)，有粗糙與精細(xì)兩個(gè)預(yù)置的品質(zhì)選項(xiàng)，主要的區(qū)別參數(shù)為誤差公差與角度公差，于是在已有的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上增加了一組自定義的品質(zhì)，在精細(xì)品質(zhì)的基礎(chǔ)上以粗糙與精細(xì)品質(zhì)的參數(shù)倍數(shù)設(shè)置參數(shù)，由于精度大于精細(xì)品質(zhì)，遂將其命名為超精細(xì)品質(zhì)。具體的品質(zhì)參數(shù)為：

（1）粗糙：誤差公差：0.21950486 角度公差：30度,該組參數(shù)用字母A表示。

（2）精細(xì)：誤差公差：0.08457985 角度公差：10度,該組參數(shù)用字母B表示。

（3）超精細(xì)：誤差公差：0.03212266 角度公差：5度,該組參數(shù)用字母C表示。

不同打印成型方案：主要由打印機(jī)產(chǎn)品內(nèi)置的速度對(duì)應(yīng)打印方案，具體的方案區(qū)別參數(shù)為：

（1）快速：外壁打印速度50mm/s 內(nèi)壁打印速度50mm/s 填充速度80mm/s,該組參數(shù)用數(shù)字1表示。

（2）均衡：外壁打印速度35mm/s 內(nèi)壁打印速度50mm/s 填充速度70mm/s,該組參數(shù)用數(shù)字2表示。

（3）最佳：外壁打印速度15mm/s 內(nèi)壁打印速度35mm/s 填充速度60mm/s,該組參數(shù)用數(shù)字3表示。

支撐方式有Raft和Brim兩種，分別用羅馬數(shù)字Ⅰ和Ⅱ表示。

最終的試驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)

4 結(jié)果與分析

通過(guò)以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)的打印，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)：

（1）本臺(tái)機(jī)器的使用次數(shù)或者出廠質(zhì)量不同，主噴嘴的溫度、出料的溫度保持等因素表現(xiàn)較好。

（2）工作臺(tái)上進(jìn)行打印位置之前的打印次數(shù)比較少，花紋紙的粗糙度和吸附力比較大。

（3）一開(kāi)始打印底座時(shí)就發(fā)現(xiàn)，噴嘴在工作臺(tái)上運(yùn)用時(shí)緊緊地貼著花紋紙并且有頂在工作臺(tái)上的感覺(jué)。停機(jī)進(jìn)行調(diào)整時(shí)發(fā)現(xiàn)，應(yīng)該是廠家在安裝時(shí)存在問(wèn)題，導(dǎo)致最極端狀態(tài)下的工作臺(tái)依然緊貼著主噴嘴，這就解釋了為什么在第一次試驗(yàn)的時(shí)候A232的底座那么細(xì)密了，相當(dāng)于噴頭不光將材料熔融，還將它抹平、向花紋紙擠壓，最終在非正常工作條件下形成了一個(gè)特別致密的底座。

（4）試驗(yàn)時(shí)，幾乎所有的產(chǎn)品在中部較細(xì)的位置出現(xiàn)了瑕疵。首先，可以確定的是這兩種機(jī)型在這種形狀的處理上均不占優(yōu)勢(shì)，在這種尺寸變得較小、形狀比較有棱角、特別是加工位置傾斜度變大的加工處容易把這個(gè)不足之處暴露出來(lái)。其次，由最為嚴(yán)重的A2Ⅰ與B1Ⅰ相比較，不同的機(jī)器產(chǎn)生的問(wèn)題嚴(yán)重程度不一樣，與設(shè)置的參數(shù)關(guān)系不大。

由打印過(guò)程以及數(shù)據(jù)（表2）分析可以發(fā)現(xiàn)：從產(chǎn)品底部往上高度為11cm處的粗糙度較大，并會(huì)因?yàn)闄C(jī)器的不同產(chǎn)生不同程度的瑕疵，所以不同參數(shù)導(dǎo)致數(shù)據(jù)不同的分析主要參照高度2cm和8cm處的采樣進(jìn)行分析，11cm處的數(shù)據(jù)只做為一定參考。

表2 不同方案在對(duì)應(yīng)位置的粗糙度測(cè)量數(shù)據(jù) /μm

4.1 不同處理方式的分析

由3組數(shù)據(jù)相比，直接得到的結(jié)果是：與精細(xì)的處理方式比較，粗糙的打印產(chǎn)品精度相對(duì)較高；與超精細(xì)的處理方式相比，精細(xì)的打印產(chǎn)品精度相對(duì)較高；而在粗糙和超精細(xì)的對(duì)比中，在2cm處粗糙處理的粗糙度較好，在之后的兩個(gè)采樣點(diǎn)處均是超精細(xì)的精度比較好。

大致看來(lái)，三個(gè)結(jié)果相互制約有可能出現(xiàn)悖論。究其原因，是因?yàn)榇蛴C(jī)器的緣故，在A2Ⅰ打印的過(guò)程中中部較細(xì)的部分出現(xiàn)了特別明顯的瑕疵，8cm處有大量的溝狀瑕疵，并且有了一定的鏤空征兆，11cm處更是沿著環(huán)狀的輪廓直接出現(xiàn)了大量的空洞，影響了最后進(jìn)行的粗糙度測(cè)量。按照觀察分析，結(jié)合其他數(shù)據(jù)，可以得出STL品質(zhì)的參數(shù)影響下產(chǎn)品的精度排行為：粗糙〉精細(xì)〉超精細(xì)。

這個(gè)結(jié)果與預(yù)期相反，之所以出現(xiàn)這樣的現(xiàn)象，是由于STL文件參數(shù)的精細(xì)度是通過(guò)改變代替物體原本表面所生成的小三角形的大小來(lái)實(shí)現(xiàn)的。越粗糙的參數(shù)所形成的表面看到的小三角形產(chǎn)生的棱面就越大，相當(dāng)于越精細(xì)的參數(shù)打印機(jī)的運(yùn)動(dòng)軌跡更傾向于圓弧型；而粗糙的參數(shù)打印機(jī)所行走的軌跡是由一條條直線組成的。在通過(guò)測(cè)量與成型方向垂直所獲得的粗糙度數(shù)據(jù)可以看出，打印機(jī)在打印時(shí)，平面比弧面的成型效果更好。

4.2 不同成型方案生產(chǎn)的產(chǎn)品精度對(duì)比分析

由于試驗(yàn)時(shí)間有限，加上對(duì)不同底座支撐對(duì)于產(chǎn)品的精度并沒(méi)有產(chǎn)生明顯的影響，最佳和快速對(duì)比采用B1Ⅰ和B3Ⅱ?qū)Ρ取Ｖ苯訉?duì)比數(shù)據(jù)可以得到的結(jié)果是：快速要優(yōu)于均衡，均衡優(yōu)于最佳，最終可以得到不同的成型方案對(duì)產(chǎn)品粗糙度的優(yōu)劣排行為：快速〉均衡〉最佳。

試驗(yàn)的結(jié)果同樣出乎預(yù)料，但是通過(guò)分析實(shí)際的產(chǎn)品，可以發(fā)現(xiàn)其中的A1Ⅰ未能成功打印完成，A2Ⅰ產(chǎn)生了嚴(yán)重的空洞瑕疵，以至于最后輕輕一掰，零件應(yīng)聲而斷，根本無(wú)法使用。雖然粗糙度的測(cè)量結(jié)果表示的排行是快速〉均衡〉最佳，但是在實(shí)際操作中發(fā)生的問(wèn)題，才是真正左右試驗(yàn)結(jié)論的關(guān)鍵。

單從試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)來(lái)看，無(wú)論是STL文件的品質(zhì)還是打印時(shí)的速度方案，都是越粗糙、越不注重質(zhì)量而追求數(shù)量產(chǎn)生的表面粗糙度的數(shù)值表現(xiàn)越好。前者是因?yàn)閷?duì)于打印機(jī)來(lái)說(shuō)，相對(duì)股骨輪廓所要求的弧形的運(yùn)動(dòng)軌跡，平面的那種平直的運(yùn)動(dòng)軌跡能讓打印機(jī)完成的精度更好；而后者是因?yàn)楸容^快的堆積速度有利于在下一層的材料打印步驟到來(lái)之前，上一層材料的溫度還保持有比較高的溫度，有利于兩層材料相互融合，在垂直于打印堆積方向測(cè)量的粗糙度測(cè)量中比較有利。

但是正因?yàn)橄聦硬牧仙形蠢鋮s定型，在速度更快的打印成型方案中，在底層材料冷卻后零件發(fā)生了一定程度上的形變，出現(xiàn)了很高的次品率，實(shí)際上是不能用來(lái)作為結(jié)果參數(shù)來(lái)考慮的。

通常的思維下STL品質(zhì)最精細(xì)、打印方案最佳的零件成型精度應(yīng)該是最好的，但是測(cè)量出來(lái)的數(shù)據(jù)卻讓人大跌眼鏡，各個(gè)位置的數(shù)據(jù)都比較高，但是通過(guò)觀察不難發(fā)現(xiàn)，雖然各項(xiàng)數(shù)值均偏大，三項(xiàng)數(shù)值的差距卻是在9項(xiàng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)中最小的。在球頭的打印過(guò)程中，越快的生產(chǎn)速度容易造成較大的缺陷，如圖2。

圖2 成型缺陷

由于如今的打印技術(shù)尚未發(fā)展到特別精細(xì)的程度，直接打印出來(lái)的成品并不能馬上標(biāo)成商品投入市場(chǎng)，依然需要對(duì)其進(jìn)行精細(xì)加工，比較均衡的粗糙度反而有利于后期加工，在提高其整體粗糙度表現(xiàn)的時(shí)候不會(huì)對(duì)其尺寸產(chǎn)生較大的影響。而不同位置粗糙度差異較大的零件考慮到保持其各個(gè)位置的尺寸，可能需要針對(duì)其不同部位來(lái)分別進(jìn)行不同程度的精細(xì)加工，降低了生產(chǎn)效率，提高了加工難度。這與本來(lái)就是針對(duì)于快速生產(chǎn)成型的增材制造技術(shù)的目的是相悖的。而且，試驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果都能證明，試驗(yàn)參數(shù)越粗糙，生產(chǎn)的成品率就越低。

5 結(jié)論

綜合本次試驗(yàn)的完整過(guò)程和測(cè)量參數(shù)的分析，可以總結(jié)出以下結(jié)論：

（1）與傳統(tǒng)的模具生產(chǎn)相比，3D打印在去除模具的成本和提高產(chǎn)品個(gè)性化等方面有很大的優(yōu)勢(shì)，但是單個(gè)產(chǎn)品生產(chǎn)成型的耗時(shí)比較長(zhǎng)。

（2）由于通過(guò)沿著兩個(gè)相互垂直的坐標(biāo)系設(shè)置的軸進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，打印機(jī)對(duì)于直線輪廓的處理要比弧形輪廓的處理好得多。

（3）F100L型打印機(jī)由于增大了其成型高度，應(yīng)該在機(jī)器的工作邏輯上和穩(wěn)定性上進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)教，同樣的零件生產(chǎn)出來(lái)的效果要略好于F100型。

相比之下，Raft底座需要消耗更多的材料，延長(zhǎng)一定的打印時(shí)間，但是結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)固，在工作臺(tái)上的固定效果也特別好；Brim底座特別節(jié)省材料與底座形成時(shí)間，但由于與工作臺(tái)的接觸面積小，也更容易冷卻，固定效果較差。在這次試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)產(chǎn)品類(lèi)似的細(xì)長(zhǎng)形零件豎直放置的打印過(guò)程中，容易出現(xiàn)產(chǎn)品跑動(dòng)，造成打印失敗。

單從成型后測(cè)量的數(shù)據(jù)上看，由于第二條結(jié)論，比較粗糙的參數(shù)所獲得的粗糙度數(shù)值較好，但結(jié)合實(shí)際打印過(guò)程中的成功率，和最終產(chǎn)品加工成型的需求，還是更加精細(xì)的加工方式獲得的產(chǎn)品比較符合生產(chǎn)和設(shè)計(jì)的要求。

[1]李小麗,馬健雄.3D打印技術(shù)及應(yīng)用趨勢(shì).上海:自動(dòng)化儀表,2014,35(1):1-5.

[2]杜宇雷,孫菲菲,原光,等.3D打印材料的發(fā)展現(xiàn)狀.徐州工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）,2014,29(1):20-24.

[3]盧秉恒,李滌塵.增材制造（3D打?。┘夹g(shù)發(fā)展.機(jī)械制造與自動(dòng)化,2013,42(4):1-4.

[4]李光玲.食品3D打印的發(fā)展及挑戰(zhàn)[J].食品與機(jī)械,2015, 31（1）: 231-234.

[5]王金磊,王曉軍,任衍濤.一種基于活塞連續(xù)工作原理的3D食品打印筆[J].食品與機(jī)械,2015，31（5）: 1-7.

[6]姚青華.3D打印技術(shù)應(yīng)用在奶油食品工業(yè)中的方案設(shè)計(jì)[J].食品與機(jī)械,2016, 32（2）: 98-100，110.

[7]許力,鄒勤.3D打印在創(chuàng)意設(shè)計(jì)中的應(yīng)用. http://www.cnki.net/kcms/detail/11.5127.TB.20160310. 1021.062.html,2016-03-10.

[8]胡瑞珍,黃惠.3D打印啟發(fā)下的模型實(shí)例化優(yōu)化研究綜述,計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào),2015,27(6):961-967.

趙小娟（1983-），女，武昌工學(xué)院機(jī)械工程系主任、講師、碩士研究生。E-mail：158712087@qq.com

2016-09-17