分區(qū)域變參數(shù)FDM3D打印設(shè)計與試驗

賴周藝

（深圳信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院中德學(xué)院，廣東 深圳 518172）

分區(qū)域變參數(shù)FDM3D打印設(shè)計與試驗

賴周藝

（深圳信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院中德學(xué)院，廣東 深圳 518172）

FDM（Fused Deposition Modeling，熔融沉積成型）是目前應(yīng)用最廣的3D打印技術(shù)之一。打印時間、表面精度和耗材成本是影響FDM3D打印推廣應(yīng)用的三大難點。作者提出對FDM3D打印的模型進(jìn)行新的區(qū)域劃分，且不同區(qū)域采用不同層厚和打印速度，在不增加耗材成本和不降低模型表面精度的前提下，明顯減少打印時間。作者設(shè)計了試驗?zāi)Ｐ?，詳?xì)研究了分區(qū)域變參數(shù)FDM3D打印過程，通過實驗證明了分區(qū)域變參數(shù)FDM3D打印的可行性，為后續(xù)深入研究提供了重要參考。

3D打??；FDM；分區(qū)域變參數(shù)；打印時間；試驗

引言

3D 打印技術(shù)（3D Printing Technology）近年來受到社會公眾的熱切關(guān)注，被認(rèn)為是最近20年來世界制造技術(shù)領(lǐng)域的一次重大突破。熔融沉積造型(FDM，F(xiàn)used Deposition Modeling)因其設(shè)備成本低、打印過程無毒氣和無化學(xué)污染、容易實現(xiàn)小型化，是目前應(yīng)用最廣的3D打印技術(shù)之一[1]。打印時間、表面精度和耗材成本影響FDM3D推廣應(yīng)用的三大難點[2-3]。FMD3D打印的本質(zhì)在于分層制造，打印時間及表面精度與控制軟件切片計算密切相關(guān)[4]。目前控制軟件主流切片計算如CuraEngine,slic3r,makerwat等均采用相等分層厚度，由此會產(chǎn)生模型表面精度與打印時間之間的矛盾：分層厚度小，模型表面精度有保證，但打印時間長；反之，分層厚度大，打印時間縮短，但易導(dǎo)致模型表面精度差。有學(xué)者對高度方向自適應(yīng)分層[5-6]，但在軟件上實現(xiàn)還相當(dāng)困難，目前FDM 3D打印機及主流控制軟件（Cura,Repetier-Host）尚無此功能，還停留在理論研究階段。作者提出在FDM3D打印過程中對模型進(jìn)行分區(qū)域變參數(shù)打印，設(shè)計試驗?zāi)Ｐ秃痛蛴∵^程，結(jié)合實驗探索在不增加耗材成本和不降低模型表面精度的前提下減少FDM3D打印時間。

1 分區(qū)域多參數(shù)FMD 3D打印

現(xiàn)有FDM3D打印以填充模型為主，打印時整個模型采用相同層厚（如圖1a）所示），表面采用較慢打印速度，從而獲得較好模型表面精度；內(nèi)部網(wǎng)格填充則采用較快打印速度，減少打印時間[7]。FDM3D打印是分層累加的增材制造，在累加過程中模型表面層與層之間會有階梯產(chǎn)生，一般稱之為“階梯效應(yīng)”[8]。較小的層厚可降低臺階的高度，從而改善模型表面粗糙度；較小的打印速度可以提高每層打印輪廓側(cè)面的光順性，也可以改善模型表面粗糙度。本文提出將模型分為表面、次表面和內(nèi)部網(wǎng)格填充（如圖1b）；表面采用小層厚和較慢打印速度以保證模型表面精度，次表面采用中等層厚和中等打印速度以保證其與表面的結(jié)合強度和減少打印時間，內(nèi)部網(wǎng)格填充則采用大層厚和較快打印速度以減少打印時間。

圖1 FDM 3D打印分區(qū)域和分層示意圖Fig.1 schematic diagram on partitioning and layering of FDM 3D printing

2 FMD3D打印件實驗設(shè)計

為了驗證FMD分區(qū)域變參數(shù)3D打印的可行性，設(shè)計了如圖2所示實驗打印件，長寬高分別為10.0×10.0×0.8mm，側(cè)表面密封而內(nèi)部網(wǎng)格填充，頂面和底面無密封。實驗設(shè)備為圖3所示開源FDM3D打印機（弘瑞Z300），切片軟件為CuraEngine，噴嘴直徑為0.4mm，適用耗材為φ1.75mm的 ABS絲材或PLA絲材，打印層厚范圍為0.1-0.4 mm。

圖2 FMD3D實驗打印件Fig.2 Experimental part for FDM3D printing

圖3 FDM3D打印機（弘瑞Z300）Fig.3 FDM 3D printer (HORI Z300)

圖4a）所示為常規(guī)FMD3D打印分區(qū)域與分層示意圖。目前FDM3D打印的最小層厚以0.1mm為主，因此圖4a）所示模型以0.1mm的層厚進(jìn)行分層，層數(shù)為8（模型高度0.8mm÷0.1mm/層=8層）。參考FDM3D打印常用的參數(shù)設(shè)置，表面打印速度設(shè)定為20.0mm/s，內(nèi)部填充打印速度設(shè)定為40.0mm/s。

圖4b）所示為分區(qū)域變參數(shù)FMD3D打印示意圖，表面分層層厚為0.1mm，層數(shù)為8，打印速度為20.0mm/s；次表面層厚為表面層厚的兩倍（即0.2mm），層數(shù)為4，打印速度取表面打印速度（20.0mm/s）與內(nèi)部填充打印速度（40.0mm/s）的中間值，即30.0mm/s；內(nèi)部填充層厚為次表面層厚的兩倍（即0.4mm），層數(shù)為2，打印速度為40.0mm/s。

圖4 FMD3D實驗打印件分區(qū)域與分層示意圖Fig.4 Schematic diagram on partitioning and layering of FDM 3D print experimental part

FMD分區(qū)域變參數(shù)3D打印過程如圖5所示。首先打印模型表面，表面寬度等于實驗所用3D打印機的噴頭直徑（即0.4mm），噴頭運動軌跡為9.6×9.6mm正方形（如圖5 a所示）。表面打印兩層后打印次表面層，次表面寬度同樣等于3D打印機噴頭直徑（即0.4mm），噴頭運動軌跡為8.8×8.8mm正方形（如圖5 b所示）。次表面打印兩層后打印內(nèi)部填充（（如圖5 ac所示），內(nèi)部為網(wǎng)格填充。網(wǎng)格填充的疏密可用填充率來表示，填充率=網(wǎng)格橫截面面積/內(nèi)部橫截面面積×100%。填充率太小則無法起有效支撐的作用，填充率太大則容易由于模型內(nèi)部填充材料收縮不均勻而產(chǎn)生模型變形，因此一般取30-50%，本文取中間值40%；計算得到填充網(wǎng)格邊長為1.6mm。不同于表面與次表面的“連續(xù)連接”，內(nèi)部網(wǎng)格填充與次表面之間為“間隔連接”。為了保證內(nèi)部填充與次表面有較好的結(jié)合強度，內(nèi)部網(wǎng)格填充與次表面需要在橫截面方向設(shè)計適當(dāng)?shù)闹丿B區(qū)域；重疊區(qū)域的大小一般用重疊率描述，重疊率=重疊尺寸/次表面寬度×100%，重疊率過小容易出現(xiàn)填充網(wǎng)格與次表面脫離，過大則容易在次表面內(nèi)側(cè)產(chǎn)生材料堆積，一般取10-20%。如圖5局部放大圖所示，本文設(shè)計的3D打印模型內(nèi)部網(wǎng)格填充與次表面在橫截面方向重疊尺寸為0.06mm，計算得知重疊率為15%。

圖5 分區(qū)域變參數(shù)FDM3D打印過程示意圖Fig.5 Schematic diagram on FDM3D printing process with new partition definition and mutative parameters

主要打印參數(shù)如表1所示，耗材為FDM3D打印常用的φ1.75mm ABS絲材，該耗材推薦的打印溫度和打印平臺溫度分別是260℃和100℃，環(huán)境溫度25℃（由于實驗用3D打印機有密封外殼，因此環(huán)境溫度對打印過程的影響可忽略）。實驗?zāi)Ｐ桶闯Ｒ?guī)分區(qū)3D打印的Gcode代碼由弘瑞Z300FDM3D打印機的控制軟件生成。分區(qū)域變參數(shù)FDM3D打印所需Gcode代碼則是參考以上代碼，人工修改獲得。

表1 實驗主要參數(shù)Tab.1 Main experimental parameters

3 實驗與結(jié)果分析

10.0 ×10.0×0.8mm長方體模型FDM3D打印試驗結(jié)果如圖6所示，a）為常規(guī)FDM3D打印結(jié)果，打印時間為47s；b）為分區(qū)域變參數(shù)FDM3D打印結(jié)果，打印時間為29s；與a）相比，分區(qū)域變參數(shù)FDM3D打印時間減少38.1%。由圖5b）所示分區(qū)域變參數(shù)FDM3D打印結(jié)果可以看出，表面（層厚0.1mm）與次表面（層厚0.2mm）連接緊密，次表面與內(nèi)部填充連接緊密。與圖5a）所示常規(guī)FDM3D打印結(jié)果相比較，圖5b）所示0.4mm層厚的內(nèi)部填充欠平整，但無分層脫離，對次表面可實現(xiàn)有效支撐。由此可見，分區(qū)域變參數(shù)FDM3D打印是可行的，可實現(xiàn)在采用常規(guī)耗材（不增加耗材成本）和表面層厚不變（不降低表面打印精度）的前提下顯著減少FDM3D打印時間。

圖6 試驗結(jié)果Fig.6 Experimental results

4 結(jié)論

針對影響FDM3D推廣應(yīng)用的三大難關(guān)（打印時間、表面精度和耗材成本），作者提出了分區(qū)域變參數(shù)FDM3D打印，具有創(chuàng)新性。實驗證明，分區(qū)域變參數(shù)FDM3D打印是可行的，采用常規(guī)耗材也不增加耗材成本，在表面層厚不變時也不降低表面打印精度，顯著減少FDM3D打印時間。作者設(shè)計了分區(qū)域變參數(shù)FDM3D打印過程，完成了可行性實驗驗證，為后續(xù)深入研究提供了重要參考。

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【責(zé)任編輯：高潮】

Design and Experiment on Partition Definition and Mutative Parameters of FDM 3D Printing

LAI Zhouyi
（Sino-German School,Shenzhen Institute of Information Technology,Shenzhen 518172,China）

FDM (Fused Deposition Modeling) is one of the m ost widely used 3D printing technologies.Print time,surface precision and material cost are the three big difficulties that affecting the populariz ation and application of FDM3D printing.A new partition definition was put forward for F DM3D print model,and mutative layer thickness and printing speed were adapted for each partition's 3D printing,which rem arkable reduced the print tim e without increasing material cost or reducing model surface precision.An experimental model was designed,and the FDM3D process of the new partition definition and m utative parameters was studied in detail.Experim ents were conducted and results proved that the FDM3D printing with new partition definition and mutative parameters was feasible,which provided important reference for subsequent research

3D printing; FDM; partition definition; mutative parameters; print time; experiment

TP334.8

A

1672-6332（2017）03-0064-04

2017-10-25

深圳市科技計劃項目（CKSJS2015092914140452）；深圳信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院第六批校級精品資源共享課《塑膠玩具制造工藝》。

賴周藝（1982-）， 男(漢)， 廣東茂名人，工程師，博士，主要研究方向：先進(jìn)制造技術(shù)教學(xué)與研究。E-mail：Laizy@sziit.edu.cn