熔絲沉積3D打印工藝問題分析及解決辦法*

關(guān) 雷，史子木，華學(xué)兵

（浙江工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院材料工程系，浙江溫州325003）

熔絲沉積3D打印工藝問題分析及解決辦法*

關(guān) 雷，史子木，華學(xué)兵

（浙江工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院材料工程系，浙江溫州325003）

熔絲沉積3D打印機因其自身的優(yōu)勢已被各行各業(yè)廣泛使用。目前，大多數(shù)學(xué)者都在研究打印材料和控制方法等方面的問題，而對打印工藝本身的關(guān)注較少。針對熔絲沉積3D打印件常見的工藝問題，如絲材不能粘附到工作臺上、打印件頂層有孔洞和縫隙、拉絲、層片溫度過高、內(nèi)部填充不足、打印件邊緣翹曲等問題進行了詳細的分析，并提出了有效的解決方法，供3D打印機使用者學(xué)習和參考。

熔絲沉積制造工藝；3D打印工藝；工藝問題分析

0 引言

熔絲沉積成型（FDM）是3D打印技術(shù)的一種，有成本低、操作簡單的優(yōu)勢，在產(chǎn)品設(shè)計、模型制作、教育等領(lǐng)域得到了越來越多的關(guān)注，其服務(wù)的社會需求量也逐年增長[1-3]。

目前，制約FDM成型技術(shù)發(fā)展的因素除了打印材料和打印設(shè)備外，還有成型過程中的穩(wěn)定性和打印產(chǎn)品的缺陷較多等問題[4]。大多數(shù)學(xué)者研究打印材料和控制方法，而對打印工藝本身的關(guān)注較少[5-6]。打印工藝不僅會影響打印件最終的表面質(zhì)量和成型精度等[6-7]，不恰當?shù)倪x擇工藝還會造成拉絲、翹曲變形、強度下降等缺陷，使得產(chǎn)品報廢[8]。在多年的3D打印教學(xué)過程中，筆者遇到了各式各樣的工藝問題，在不斷學(xué)習、查找和摸索中積累了大量的經(jīng)驗，現(xiàn)把FDM 3D打印件常見問題和解決方法總結(jié)出來，供大家參考。

1 絲材無法粘附到工作臺上

3D打印機打印工件時是從下到上逐層打印的，第一層相當最要，是打印其它層的基礎(chǔ)。第一層能否粘附到工作臺上，決定了打印工件的成敗。如圖1（b）所示絲材無法粘附到工作臺上，解決這樣的問題，可以逐步按照如下的方法進行調(diào)整。

1.1 檢查工作臺是否水平

幾乎每臺3D打印機的工作臺都是可以調(diào)節(jié)的，在工作臺下面至少有3顆調(diào)節(jié)螺母。通過調(diào)節(jié)這幾顆螺母可以使工作臺相對于噴嘴水平，也就是說在固定Z軸時，移動噴嘴到工作臺上的任意一點，噴嘴到工作臺的距離都是相等的。如果工作臺不平，可能會導(dǎo)致工作臺一邊低一邊高，使絲材無法完全粘附到工作臺上。

1.2 確定噴嘴到工作臺的距離

在工作臺水平的情況下，絲材仍然不能粘附到工作臺上，就需要確定擠出機噴嘴到工作臺的距離。一般噴嘴距離工作平臺大約是一張A4紙的厚度，不能太近，也不能太遠。太近時將導(dǎo)致噴嘴堵塞，絲材無法噴出，嚴重時還可能導(dǎo)致堵頭。太遠時噴嘴噴出的絲材不能和工作臺接觸，絲材無法粘附到工作臺上。可以通過調(diào)整打印機硬件或軟件參數(shù)來改變噴嘴到平臺的距離，使絲材牢牢地粘附到工作臺上。調(diào)整時要注意，每次調(diào)整的距離不要過大（0.05 mm即可），避免噴嘴過低損壞工作臺。

1.3 第一層打印速度過快

絲材從噴嘴里噴出，需經(jīng)過一段時間冷卻凝固，才能獲得較大的附著力，使絲材牢牢地粘附到工作臺上。這就意味著打印第一層的速度不能過快，打印過快絲材將無法很好的粘附到工作臺上。一般設(shè)置第一層的打印速度是其它層的一半即可，如果粘附效果不好，可以設(shè)置更慢的速度。

1.4 熱床溫度和散熱設(shè)置

打印耗材被加熱后從噴嘴噴出，粘附到工作臺上，逐漸冷卻到室溫。由于熱脹冷縮的原因，粘附到工作臺上的材料會收縮，發(fā)生卷曲，甚至脫離工作臺。使用加裝熱床、關(guān)閉散熱裝置能避免以上現(xiàn)象的發(fā)生。一般情況下打印ABS耗材熱床設(shè)置100～120℃為宜，打印PLA耗材熱床設(shè)置為60～70℃為宜。

1.5 使用工作臺貼面材料

為了使打印絲材牢固的涂覆在工作臺表面，常常將一些有利于粘附的材料固定到3D打印機工作臺表面，例如高溫玻璃、聚酰亞胺膠帶、美紋紙膠帶等[9]，當然也需要根據(jù)打印材料的類型和打印要求選擇合適的貼面材料。

1.6 使用打印底板

當打印的模型較小時，由于底面很小，很難牢固地粘附到工作臺表面。在大多數(shù)打印軟件中可以為模型添加底板，在模型和工作臺之間打印一個比模型大幾毫米的平面，如圖2所示，保證模型能夠打印成功。

圖2 為模型增加底板的照片

圖1 不同情況下，打印首層絲材粘附照片

2 打印件頂層出現(xiàn)孔洞和縫隙

為了節(jié)省打印耗材和時間，幾乎所有的打印件只有外殼是實心的，內(nèi)部為網(wǎng)格狀填充。內(nèi)部的網(wǎng)格狀填充支撐著外部的實心殼，這樣的結(jié)構(gòu)不但可以節(jié)省材料，而且可以保證打印件具有較好的強度。同時，通過設(shè)置內(nèi)部填充的密度和外殼實心層層數(shù)可以獲得不同強度的打印件。當發(fā)現(xiàn)打印件頂層出現(xiàn)孔洞和縫隙如圖3所示時，可以通過如下步驟逐一排查。

圖3 打印件頂層出現(xiàn)孔洞和縫隙的照片

2.1 實心層層數(shù)不足

頂層實心層是以網(wǎng)格狀填充為基礎(chǔ)打印的，當打印到網(wǎng)格的孔洞時實心層的絲材會掉入孔洞中，使實心層出現(xiàn)孔洞和縫隙。為保證獲得實心平整的表面，通常會打印多層實心層，一般0.5 mm厚，也就是說如果使用0.1 mm層高需要打印5層，0.25 mm就只需要2層。

2.2 填充率過低

如果增加實心層不能解決這一問題，可以嘗試提高填充率。填充率越低，打印件內(nèi)部網(wǎng)格填充中空心部分就越大，打印實心層時絲材需要跨越的空心部分就越大，就越難形成實心層。適當提高填充率，可以保證頂部實心層的形成。填充率一般設(shè)置為30%～50%。

2.3 擠出量不足

如果增加實體層層數(shù)和填充率都不能解決頂層有孔洞和縫隙的問題，這很可能是由于擠出量不足引起的。擠出量不足是指實際擠出的絲材量較軟件中設(shè)置的值少，導(dǎo)致了頂層出現(xiàn)孔洞和縫隙。解決這一問題需要重新校正擠出量，并在固件中修改。

3 拉絲

拉絲是指殘留在打印件表面大量的塑料細絲。當擠出頭不送絲時，從一個位置運動到另一個位置的過程中，高溫的耗材會從噴嘴中溢出，這樣運動中耗材就會被拉成像頭發(fā)絲一樣的細絲，如圖4所示打印件表面的細絲。在擠出頭運動過程中使送絲輪反轉(zhuǎn)將耗材拉回，可阻止耗材溢出，從而解決拉絲的問題。這一過程被叫做回抽。解決拉絲的問題可以通過如下方法。

圖4 打印件表面拉絲的照片

3.1 設(shè)置回抽距離

回抽距離是回抽過程中絲材被拉回的長度，也是回抽設(shè)置中最重要的。一般情況下，回抽距離越大，擠出頭移動過程中耗材從噴嘴中溢出的就越少。近端擠出機設(shè)置回抽距離為0.5～2.0 mm為宜，遠端擠出機設(shè)置為15 mm左右為宜。在調(diào)試回抽距離時，應(yīng)每次增加1 mm，不要一次增加過多。

3.2 調(diào)整回抽速度

回抽速度對拉絲影響很大。如果回抽速度過慢，噴嘴移動時不僅會有絲材溢出，而且還可能影響下次的出絲。如果回抽速度過快，送絲齒輪可能磨損絲材，嚴重時還可能導(dǎo)致前端已加熱部分和后端分離。通?；爻樗俣仍O(shè)置為20～100 mm/s，但不同材料對其影響程度也不同，具體數(shù)值應(yīng)由實際測試得出。

3.3 降低打印溫度

如果回抽距離和速度更改后，仍然不能解決拉絲的問題?？梢钥紤]降低打印溫度，溫度越高，噴嘴中的耗材就越粘稠，就越容易從噴嘴中泄漏。每次降低5～10℃，不要一次降低太多，因為溫度過低也會影響耗材的擠出。

3.4 增加移動速度

通過增加擠出頭的移動速度，可以縮短擠出頭在不同位置之間移動的時間，這樣就可以減少耗材溢出的量，從而達到減少拉絲的效果。

4 層片溫度過高

打印絲材在擠出頭加熱部分的溫度可達到190～240℃。當絲材從噴嘴擠出后仍然保持著高溫，高溫的絲材很柔軟，可以很容易被塑造成各種形狀。但當絲材冷卻后就很快固化，并保持著原有的形態(tài)。在打印時需要保持加熱和散熱的平衡，絲材加熱后可以從噴嘴中流暢的噴出，快速的散熱固化可以保證打印尺寸的精確。如果打破這個平衡，將會出現(xiàn)一些打印問題，比如冷卻不充足層片過熱，將會影響打印尺寸和模型形態(tài)。如圖5所示，由于層片溫度過高，導(dǎo)致了模型頂部的畸形，破壞了打印尺寸和模型形態(tài)。出現(xiàn)層片溫度過高的現(xiàn)象，可以從以下幾點進行調(diào)整。

4.1 提高模型散熱效果

引起層片溫度過高最主要的原因就是對剛打印出來的層片散熱不夠。模型層片在冷卻過程中,形狀很容易改變。通過采用對模型層片快速散熱的方法，可以使剛剛被打印好的層片快速固化，保持其尺寸和形狀。如果打印機有對模型進行散熱的風扇，那么提高風扇的轉(zhuǎn)數(shù)是避免層片過熱的最好辦法。

圖5 打印件層片溫度過高的照片

4.2 降低打印溫度

如果通過提高散熱風扇轉(zhuǎn)數(shù)的方法無法解決層片溫度過高的問題?？梢試L試降低打印溫度，低溫下擠出的絲材更容易固化?？梢悦看谓档?～10℃，觀察問題是否解決。不要一次降低過多，較低溫度將使擠出機無法工作。

4.3 增加打印時間

當打印非常小的工件時，每一層打印的時間都非常短。即便使用散熱風扇、降低打印溫度也不能使層片迅速冷卻固化，這就需要通過暫停散熱、降低打印速度或者同時打印多個模型的方法來解決層片過熱的問題。

5 內(nèi)部填充不足

打印件內(nèi)部的填充起著連接和支撐外殼的作用，其填充的好壞將直接影響打印件的強度。如圖6所示，由于填充不足，打印件內(nèi)部的層與層之間出現(xiàn)了縫隙，這將影響打印件的強度。內(nèi)部填充不足可以從以下幾方面進行調(diào)整。

圖6 打印件內(nèi)部填充不足的照片

5.1 更換填充圖案

通過更換填充圖案可以使內(nèi)部填充更牢固，提高模型強度。在打印機的分層軟件中會提供多種填充圖案供用戶選擇。有些填充圖案會更結(jié)實，例如網(wǎng)狀、三角形和固體蜂窩狀。而有些填充圖案為了提高打印速度而犧牲了強度，例如線狀、簡單蜂窩狀[10]。

5.2 降低填充速度

打印件內(nèi)部填充的速度較打印其它部分的速度要快。如果填充速度過快，實際需要的擠出量超過了擠出的最大量。擠出量就達不到軟件中期望的值，這樣就會造成內(nèi)部填充纖細，甚至斷斷續(xù)續(xù)，造成內(nèi)部填充不足。如果通過更換填充圖案的方法仍然不能解決內(nèi)部填充不牢固的問題，我們可以嘗試降低填充速度。

6 打印件邊角翹曲

我們打印非常大或長的工件時經(jīng)常會發(fā)現(xiàn)，起初打印的前幾層可以很好的粘附到工作臺上，但隨后這幾層的邊角就會卷起，部分脫離工作臺，使打印件變形，如圖7所示。嚴重時整個工件會脫離工作臺，導(dǎo)致打印失敗。這種現(xiàn)象是材料遇冷收縮引起的，特別是打印一些收縮率較高的材料時，這種現(xiàn)象特別嚴重，如ABS、PC、PA等。模型遇冷收縮的問題很難完全解決，但是使用以下幾個方法可有效防止其翹曲。

圖7 打印件邊角翹曲的照片

6.1 使用熱床

目前，大部分桌面打印機都配有熱床。在打印收縮率較大的材料，如ABS時可以將熱床加熱到110℃，這樣可以防止工件發(fā)生翹曲。

6.2 關(guān)閉散熱風扇

散熱風扇可以使打印件快速冷卻引起翹曲。所以在打印工件的整個過程中關(guān)閉散熱風扇，有利于打印層片的保溫，這樣可以防止工件遇冷發(fā)生翹曲。

6.3 環(huán)境溫度恒定

使用熱床只能使與熱床較近的工件低層保溫，離熱床較遠的層片很難被保護。因此，將打印機放入密閉的空間內(nèi)，保持恒溫更有利于阻止翹曲的發(fā)生。通常在打印容易翹曲的工件時，我們會關(guān)閉門窗甚至開啟空調(diào)來獲取一個相對溫暖的環(huán)境。而一些價格較貴的打印機會配有恒熱系統(tǒng)，可以使整個打印環(huán)境保持高溫。

6.4 增加底板

大多數(shù)切片軟件有為工件增加底板的功能，使用該功能后在工件與工作臺之間會產(chǎn)生一個較模型底面大幾毫米的底板，如圖2所示。底板可以使工件粘附的更牢固，起到減少工件邊緣翹曲的作用。

7 結(jié)語

3D打印技術(shù)給人們帶來了巨大的生產(chǎn)自由度[11]，也可能會逐漸改變?nèi)藗兊纳罘绞健?D打印機正迅猛發(fā)展并已成為一種潮流，廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)。一些由材料和機械本身帶來的故障將很快得到解決，而由工藝引起的精度和質(zhì)量問題將會得到越來越多的關(guān)注。本文對常見的打印工藝問題進行了總結(jié)和分析，提供了一些常用的解決辦法，希望對打印機的使用者有一定的幫助。

[1]宋科,楊邦成.3D打印技術(shù)的實例應(yīng)用研究[J].新技術(shù)新工藝,2015(12):90-93.

[2]喬雯鈺,徐歡,馬超,等.3D打印用ABS絲材性能研究[J].工程塑料應(yīng)用,2016(3):18-23.

[3]黃麗婕,王曉彤,周雷,等.3D打印在包裝工業(yè)中的應(yīng)用與前景[J].工程塑料應(yīng)用,2016(4):122-126.

[4]田玉琬,文成,安芬菊,等.FDM3D打印件翹曲變形的工藝分析與優(yōu)化[J].輕工科技,2016(6):61-62,91.

[5]韓志民,李景賀,曲芳,等.熔積成型打印耗材接絲機的開發(fā)及工藝參數(shù)[J].黑龍江科技大學(xué)學(xué)報,2016(1):63-67.

[6]余世浩,周勝.3D打印成型方向和分層厚度的優(yōu)化[J].塑性工程學(xué)報,2015(6):7-10,39.

[7]羅晉,葉春生,黃樹槐.FDM系統(tǒng)的重要工藝參數(shù)及其控制技術(shù)研究[J].鍛壓裝備與制造技術(shù),2005(6):77-80.

[8]孫昱放.家庭3D打印機維護與故障解決方法[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品,2016(19):65-66.

[9]關(guān)雷,史子木,武坤.桌面3D打印機工作臺貼面材料分析[J].浙江工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報,2016(1):42-44.

[10]3D matter.What is the influence of infill%,layer height and infill pattern on my 3D prints?[EB/OL].New York:3D matter.2015-3-10[2017-3-12].http://my3dmatter.com/influence-infill-layer-height-pattern/.

[11]杜鵬,王斌.淺析3D打印機的發(fā)展趨勢[J].中國科技信息,2014(7):141-143.

Analysis and Solution of FDM 3D Printing Process Problem

GUAN Lei,SHI Zi-mu,HUAXue-bing
(Department of Material Engineering,Zhejiang Industry&Trade Vocational College,Wenzhou,325003,China)

3D printer based on fused deposition modeling(FDM 3D printer)has been widely used in various fields due to its advantages.At present,most scholars are studying materials,control methods and other aspects of the printer,with less attention to the printing process itself.This paper focuses on common process problems of FDM 3D printer,such as filament not sticking to the workbench,holes and gaps in top layers,stringing,excessively high layer temperature,insufficient infill and warping.The effective solution is also provided,which is conducive to the study and reference for 3D printer users.

Fused deposition process;3D printing process;Analysis of process problem

G712

A

1672-0105(2017)03-0053-05

10.3969/j.issn.1672-0105.2017.04.012

2017-08-23

浙江省教育廳2016年度一般科研項目（Y201636882）；全國教育信息技術(shù)研究2016年度青年課題（166243066）；浙江工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院2017年度教師創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)專項課題（C170103）；浙江工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院2016年度第二期教師科技創(chuàng)新活動計劃項目(G160207)

關(guān)雷，男，碩士，浙江工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院助理實驗師，主要研究方向：3D打印機開發(fā)與應(yīng)用，納米材料合成與應(yīng)用。

李勇）