FDM工藝成型參數(shù)對(duì)打印成本的影響研究

李 彬，顧 海，陸 恒，張 捷，姜 杰

（南通理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，南通 226002）

FDM工藝成型參數(shù)對(duì)打印成本的影響研究

李 彬，顧 海，陸 恒，張 捷，姜 杰

（南通理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，南通 226002）

為了提高熔融沉積成型（FDM）的打印效率，減小打印成本，選擇成型參數(shù)中的放置方式、支撐方式、分層厚度、填充率和打印速度等參數(shù)對(duì)FDM工藝成型件的模型、支撐材料用量和打印時(shí)間的影響進(jìn)行研究。結(jié)果表明，合理選擇成型參數(shù)可以有效減小打印成本。放置方式和支撐方式應(yīng)根據(jù)模型實(shí)際需要進(jìn)行選擇。當(dāng)分層厚度為0.2mm，填充率為15%，打印速度為80mm/s時(shí)，在滿足模型精度、強(qiáng)度等條件下有效提高打印效率，減小打印成本。

熔融沉積成型；工藝參數(shù)；打印成本；打印效率

0 引言

熔融沉積成型（FDM，F(xiàn)used Deposition Modeling）工藝由于其結(jié)構(gòu)和操作簡單，使用、維護(hù)成本較低，可使用無污染的材料等優(yōu)勢(shì)，成為目前應(yīng)用最為普及的3D打印技術(shù)之一[1,2]。FDM成型工藝采用工業(yè)級(jí)熱塑材料、鑄造石蠟、低熔點(diǎn)金屬和陶瓷等作為成型材料[3,4]，打印出的模型主要用于模具行業(yè)等新產(chǎn)品的開發(fā)，也可用于直接制造零部件和生產(chǎn)工具[5,6]。

FDM工藝原材料成本較高、成型速度慢，成型時(shí)為了防止模型空腔或懸臂部分坍塌，需要給模型添加支撐，浪費(fèi)材料的同時(shí)還浪費(fèi)時(shí)間[7,8]。這些問題影響了FDM技術(shù)的推廣和應(yīng)用。針對(duì)這些不足，應(yīng)對(duì)其相對(duì)應(yīng)的改善措施進(jìn)行研究[9,10]。

本文著重從不同的成型工藝參數(shù)：放置方式、支撐方式、分層厚度、填充率和打印速度等方面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，分析其對(duì)成型件的模型、支撐材料用量和打印時(shí)間的影響，以確定最小成本所對(duì)應(yīng)的最優(yōu)成型參數(shù)，這對(duì)FDM成型件的打印具有理論指導(dǎo)意義。

1 實(shí)驗(yàn)方法

采用SolidWorks軟件進(jìn)行外殼的三維建模，模型大小為70mm×180mm×40mm，實(shí)際體積為47.0139cm3，然后保存為STL格式的文件，如圖1所示。

圖1 產(chǎn)品的STL模型

模型打印采用3DTALK T-real Ⅱ IND型3D打印機(jī)，其具有兩個(gè)噴頭，分別打印PLA材料和支撐材料，構(gòu)件尺寸為254mm×254mm×210mm。先將文件導(dǎo)入打印機(jī)控制軟件，然后進(jìn)行切片并生成打印路徑，最終進(jìn)行打印。結(jié)合打印機(jī)自身特點(diǎn)，打印機(jī)平臺(tái)附著類型設(shè)置為無附著，模型支撐類型為完全支撐。分別從模型放置方式、支撐方式、分層厚度、填充率和打印速度等5個(gè)方面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。具體打印參數(shù)設(shè)置如表1所示。

打印前，分別記錄打印機(jī)剩余材料量（模型和支撐）。打印過程中，記錄各打印參數(shù)下的打印時(shí)間。打印完成，再次分別記錄打印機(jī)剩余材料量。材料用量=打印前剩余材料量-打印后剩余材料量。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 放置方式

當(dāng)支撐結(jié)構(gòu)類型為線結(jié)構(gòu)，分層厚度為0.2mm，填充率為15%，打印速度為80mm/s時(shí)，打印模型不同放置方式所產(chǎn)生的支撐效果如圖2所示，打印模型及支撐用量和打印時(shí)間如表2所示。從圖2(a)、圖2(b)中可以看出，水平放置所產(chǎn)生的支撐結(jié)構(gòu)覆蓋面積較大。結(jié)合圖2(c)可以看出，豎直放置明顯比水平放置所產(chǎn)生的支撐結(jié)構(gòu)少。

表1 成型工藝參數(shù)

圖2 模型的放置方式

表2 不同放置方式的材料用量和打印時(shí)間

從表2中可以看出，水平放置比豎直放置打印模型所消耗的材料增加約7%，所產(chǎn)生的支撐結(jié)構(gòu)增加約500%，打印時(shí)間增加約32%。分析認(rèn)為，這與模型本身特點(diǎn)有關(guān)。

打印模型消耗材料包括內(nèi)部填充材料和邊緣材料。不同放置方式下，模型內(nèi)部體積一定，填充所消耗的材料相等。邊緣材料與模型所有層數(shù)的XY方向的截面積周長和有關(guān)。水平放置比豎直放置的XY方向的截面積周長大，水平放置比豎直放置時(shí)的層數(shù)小，但水平放置比豎直放置的所有層數(shù)的XY方向的截面積周長和要略大。

從圖2中可以看出，水平放置時(shí)外殼曲面需要添加支撐，豎直放置時(shí)兩個(gè)圓孔及兩側(cè)需要支撐，即水平放置所需要的支撐結(jié)構(gòu)面積比豎直放置時(shí)要大得多，而支撐層數(shù)僅比豎直放置時(shí)略少，其支撐結(jié)構(gòu)體積遠(yuǎn)大于豎直放置時(shí)所需要的支撐結(jié)構(gòu)體積。

一般來說，XY方向打印速度比Z方向打印速度要快。當(dāng)XY方向面積較大，其打印所需時(shí)間可能超過Z方向高度打印時(shí)間，即水平放置時(shí)打印所需時(shí)間比豎直放置所需時(shí)間要大。

2.2 支撐方式

線支撐相對(duì)網(wǎng)格支撐來說比較容易拆除，但是卻沒有網(wǎng)格支撐那么堅(jiān)固。網(wǎng)格支撐雖然堅(jiān)固但是往往不易拆除。應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選擇相應(yīng)的支撐結(jié)構(gòu)。當(dāng)放置方式為豎直，分層厚度為0.2mm，填充率為15%，打印速度為80mm/s時(shí)，不同支撐方式所產(chǎn)生的支撐效果如圖3所示，打印模型及支撐用量和打印時(shí)間如表3所示。從圖3中可以看出，(b)所示的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)明顯比(a)所示的線結(jié)構(gòu)所消耗的支撐材料要多。

圖3 支撐方式

從表3中可以看出，不同支撐結(jié)構(gòu)時(shí)，模型打印材料用量不變，網(wǎng)格結(jié)構(gòu)X方向、Y方向均有支撐，線結(jié)構(gòu)X方向有支撐，Y方向無支撐。網(wǎng)格結(jié)構(gòu)X方向支撐密度比線結(jié)構(gòu)支撐密度小，但比線結(jié)構(gòu)多出Y方向支撐。因此，相同層數(shù)時(shí)，網(wǎng)格結(jié)構(gòu)所消耗支撐材料比線結(jié)構(gòu)所消耗支撐材料增加約65%。由于XY方向打印速度較快，所以支撐方式為網(wǎng)格結(jié)構(gòu)時(shí)打印所消耗時(shí)間比線結(jié)構(gòu)增加約6%。

表3 不同支撐方式的材料用量和打印時(shí)間

2.3 分層厚度

實(shí)驗(yàn)表明，不同分層厚度時(shí)，支撐材料用量均為1.64m。支撐材料用量不隨分層厚度的改變而改變。當(dāng)模型放置方式為豎直，支撐結(jié)構(gòu)類型為線，填充率為15%，打印速度為80mm/s時(shí)，不同分層厚度的打印模型和打印時(shí)間如圖4所示。

從圖4中可以看出，隨著分層厚度的增加，模型材料用量先減小后增大。分層厚度為0.2mm時(shí)，模型材料用量最少，達(dá)到16.27m；分層厚度為0.3mm時(shí)，模型材料用量最多，達(dá)到16.56m。分層厚度的不同，其模型材料的用量變化并不明顯。

從圖4中可以看出，隨著分層厚度的增加，打印時(shí)間減小。三種不同分層厚度參數(shù)下，打印時(shí)間分別減小約95%、40%。高度一定時(shí)，分層厚度越大，層數(shù)越少，打印時(shí)間越少，打印的模型表面越粗糙。因此，需要根據(jù)實(shí)際需要選擇合適的分層厚度。

圖4 不同分層厚度的模型用量和打印時(shí)間

2.4 填充率

填充率描述模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)，填充率越大，內(nèi)部的填充越多，模型的強(qiáng)度就越大。填充率的不同不影響其支撐材料用量。當(dāng)模型放置方式為豎直，支撐結(jié)構(gòu)類型為線，分層厚度為0.2mm，打印速度為80mm/s時(shí)，不同填充率的打印模型和打印時(shí)間如圖5所示。

圖5 不同填充率的模型用量和打印時(shí)間

從圖5中可以看出，當(dāng)填充率＜75%時(shí)，模型材料用量和打印時(shí)間分別隨著填充率的增大而增大；當(dāng)填充率為75%時(shí)，模型材料用量和打印時(shí)間分別達(dá)到最大值，分別為20.45m、5.32h；當(dāng)填充率為100%時(shí)，模型材料用量和打印時(shí)間分別減小到20.26m、4.88h。當(dāng)對(duì)模型強(qiáng)度要求不高時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選擇低填充率；當(dāng)對(duì)模型強(qiáng)度要求較高時(shí)，應(yīng)選擇100%填充率，可在保證模型強(qiáng)度的前提下，提高打印效率。

2.5 打印速度

打印速度不影響其模型材料用量和支撐材料用量。當(dāng)模型放置方式為豎直，支撐結(jié)構(gòu)類型為線，分層厚度為0.2mm，填充率為15%時(shí)，不同打印速度的打印時(shí)間如圖6所示。

圖6 不同打印速度的模型用量和打印時(shí)間

從圖6中可以看出，打印時(shí)間隨著打印速度的增加而減小。打印速度為100mm/s時(shí)的打印時(shí)間比打印速度為70mm/s時(shí)減小0.23h（約5%）。當(dāng)打印速度達(dá)到一定值后，如果繼續(xù)增加，噴頭產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，影響模型的精度；同時(shí)，擠出的絲材在噴頭高度運(yùn)動(dòng)下被拉成細(xì)線，出現(xiàn)“斷續(xù)”現(xiàn)象，甚至出現(xiàn)表面空缺。速度越高，噴

【】【】頭運(yùn)動(dòng)慣性越大，在模型邊緣會(huì)產(chǎn)生過堆積現(xiàn)象[8]。因此，當(dāng)噴頭直徑和擠出速度一定時(shí)，應(yīng)合理選擇打印速度。

3 結(jié)論

1）模型放置方式的選擇應(yīng)在滿足模型的結(jié)構(gòu)、用途等需要的基礎(chǔ)上考慮模型、支撐材料用量及打印時(shí)間。XY方向截面積和Z方向高度綜合影響其打印成本。

2）與網(wǎng)格結(jié)構(gòu)支撐相比，線結(jié)構(gòu)支撐可大量減少支撐用量的同時(shí)提高打印效率。

3）當(dāng)分層厚度為0.2mm，填充率為15%，打印速度為80mm/s時(shí)可滿足打印件的精度、強(qiáng)度等要求的同時(shí)，提高打印效率、減小打印成本。

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Research on the infuence of printing cost on FDM parameters

LI Bin, GU Hai, LU Heng, ZHANG Jie, JIANG Jie

TQ320.6

：A

1009-0134(2017)06-0052-03

2017-03-03

南通理工學(xué)院校級(jí)科研項(xiàng)目（科研2015041，科研2015010）；江蘇省高校重點(diǎn)建設(shè)實(shí)驗(yàn)室3D打印裝備及應(yīng)用技術(shù)；江蘇省三維打印裝備與制造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目；南通市科技平臺(tái)計(jì)劃資助項(xiàng)目（CP12014002）；南通市科技計(jì)劃資助項(xiàng)目（BK2014079）

李彬（1988 -），男，講師，碩士研究生，研究方向?yàn)榭焖俪尚图夹g(shù)。