3D打印鋼鐵俠的FDM技術(shù)探討

王力 闞宇

摘 要：自主組裝完成的一款3D打印機，采用Arduino作為核心板調(diào)試代碼，控制步進(jìn)電機完成FDM技術(shù)打印任務(wù)，還原了電影中人物造型，將鋼鐵俠成功塑形。分析了FDM技術(shù)遇到的問題和原因，并進(jìn)一步完善作品的制作。

關(guān)鍵詞：3D打印技術(shù)；FDM技術(shù)；模型

中圖分類號：TP334 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）36-0140-02

Abstract： A self-assembled 3D printer， using Arduino as the core board debugging code， controls the stepping motor to complete the FDM printing task， restores the characters in the film， and builds the character like the iron man successfully. This paper analyzes the problems and causes of FDM technology， and further improves the making of the works.

Keywords： 3D printing technology； FDM technology； model

1 3D技術(shù)簡介

3D[1]技術(shù)是依據(jù)三維CAD數(shù)據(jù)將材料連接制作物體的過程，相對于減材制造，它是逐層累加過程。在制造過程中，人們可以發(fā)揮想象力，使得工業(yè)裝備逐步走向生活，使得創(chuàng)造更加容易，讓過去繁重和枯燥的勞動變成創(chuàng)新生活的樂趣。3D打印[2]在個人消費品領(lǐng)域及個性化創(chuàng)意的應(yīng)用以及數(shù)量較大的生活用品制造方面將有良好的發(fā)展前景。目前主要局限于材料試用范圍少，制作精度比較低等問題，因此3D打印與人們的生活結(jié)合還比較薄弱，科學(xué)技術(shù)的普及還不夠充分。

3D打印的“制造+服務(wù)”模式將會改變?nèi)祟惉F(xiàn)有的生活方式，實現(xiàn)物質(zhì)個性化的精神層面需求，越來越多的家庭會應(yīng)用3D打印機。特別是工業(yè)4.0時代的到來，可能會使人們獲取商品的方式產(chǎn)生變化；消費者可以在“淘寶”商城里購買到設(shè)計點子或者3D產(chǎn)品數(shù)據(jù)，可以在平臺商下單，經(jīng)過3D打印制作、驗證、運作等流程，轉(zhuǎn)化成汽車、醫(yī)學(xué)、電子電器、日用品等實體產(chǎn)品[4]。

2 FDM技術(shù)的解決方案

本作品是采用Arduino控制板組裝調(diào)試3D打印機，運行速度快，穩(wěn)定性好，細(xì)膩度高；掌握軟件建模技術(shù)：運用3D Studio MAX4創(chuàng)建三維實體模型，并研究Cura軟件的切片技術(shù)；打印材料選用生物可降解材料，安全環(huán)保；將3D技術(shù)與Arduino技術(shù)結(jié)合，實現(xiàn)軟硬件組裝運行，完成《鋼鐵俠》角色的實體模型。

FDM（Fused Deposition Modeling，熔融沉積成型）技術(shù)方法采用電加熱融化絲狀材料，由三軸控制系統(tǒng)移動熔絲材料，逐層堆積成形三維實體。材料通常為低熔點塑料，先制成絲狀，再通過送絲機構(gòu)，送進(jìn)噴頭，在噴頭內(nèi)被加熱熔化；噴頭在電路板的控制下沿零件截面輪廓和填充軌跡運動，將熔化的材料擠出，材料迅速固化，并與周圍材料粘接，通過層層堆積成形，最終完成零件制造。初始零件表面較為粗糙，需要配合拋光技術(shù)處理。塑料材料，熔融成形后零件強度好，系統(tǒng)成本低。最大不足是成形材料種類少，精度略低。

FDM技術(shù)使用的熱塑型材料，是所有3D打印技術(shù)里最廉價的材料，可以使完成3D打印產(chǎn)品。Arduino是個完全開源的平臺，里頭包涵了非常多的庫，可以自由的組合使用。設(shè)計圖紙和開源庫，加上采購的鋁型材管，熱床，熱敏電阻，光絲桿等零件，組裝出了這臺打印機。將程序燒入主控板，給3D模型切片后就可以打出各種模型，制作了全新的影視特效人物3D模型[3]——鋼鐵俠。模型打印中會遇到很多問題，有殘缺，翹邊，表面有疙瘩，厚度太薄，導(dǎo)致打印出來模型強度不夠，打印機的因為零件損耗導(dǎo)致異響，平臺涂膠過少導(dǎo)致模型被噴嘴刮倒等各種問題。在不斷的調(diào)試打印機，最終項目完成質(zhì)量較好的，比較完美的鋼鐵俠人物原型。30年前，Stratasys的創(chuàng)始人申請并獲得了FDM（Fused Deposition Modeling，熔融沉積成型）技術(shù)專利，迄今為止這仍是3D打印最核心的技術(shù)。但是FDM機型在實際應(yīng)用中會遇到以下的打印問題，并有待解決。

2.1 翹邊

當(dāng)模型打到上層部分時，底部因為與平臺附著差，冷熱不均，一些邊角就會出現(xiàn)翹邊，從而影響模型的精度與美觀。模型底部一個或多個角翹起，就無法水平附著于打印平臺。會導(dǎo)致頂部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)橫向裂痕。翹邊是常見問題，往往發(fā)生于第一層塑料因冷卻而收縮時。模型邊緣因此而卷起。使用加熱打印床，使塑料保持溫度，不至于固化——稱為“玻璃化轉(zhuǎn)變溫度”。第一層材料可平坦地附著于打印床。在打印床上均勻地涂上薄薄一層膠水，增加第一層材料的附著力。確保打印床完美水平。可能需要增加墊子結(jié)構(gòu)，來加固打印平臺的粘著力。即使打印機有加熱床，還是建議用膠水，并且調(diào)平打印床。

2.2 大象腿

大象腿即模型底部（第一層）設(shè)計的尺寸寬。為了避免翹邊，用戶常常會壓扁第一層材料。這容易使底部突出-因此成為“大象腿”。也可能隨著模型重量的增加而對第一層材料形成擠壓，如果此時底層還未固化（尤其是打印機有加熱床的情況下），就可能形成此問題。要想同時避免翹邊和大象腿，有點難。為了盡可能減少模型底部的突起，建議調(diào)平打印床，打印噴頭略微遠(yuǎn)離打印床（但不要太遠(yuǎn)，否則模型就無法粘附了）。此外，略微降低打印床溫度。如果是自己設(shè)計的3D模型，在模型的底部挖個小倒角。從5毫米和45度的倒角開始試驗，直至最理想的效果。

2.3 第一層的打印問題

第一層材料粘附不理想，因此有些結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了松散。底部出現(xiàn)了不需要的材料線。這是打印床沒有調(diào)平的典型案例。如果噴嘴離打印床太遠(yuǎn)，底面就會出現(xiàn)不需要的線條，或者第一層無法粘附。如果噴嘴靠得太近，就會結(jié)塊。此外，打印床要盡可能干凈。打印平臺的指紋印可能會影響第一層的粘附。使用打印機軟件，重新調(diào)平打印平臺。清理打印平臺上的指紋印。打印前涂上薄薄一層膠水。

2.4 底部結(jié)構(gòu)收縮

模型底部零部件凹陷。加熱床溫度過高。加熱擠出后的塑料像橡膠一樣：先展開，然后冷卻收縮。打印床的熱度只能傳遞到一定高度（取決于溫度）。此高度以下的塑料保溫和可延展時長超過了上方的塑料材料。因此，受上層重量的擠壓，底部凹陷。降低打印床熱度。有些打印機的打印床默認(rèn)溫度是75℃，然而PLA材料的最佳溫度是50-60度，打印機內(nèi)低處的冷卻風(fēng)扇全速轉(zhuǎn)動。打印小型模型時，建議一次打印兩份或者同時打印兩件不同的模型。如此一來，打印頭在每一層停留的時間就會延長。打印底座大的模型時，不要降低打印床溫度——否則，容易翹邊。

2.5 傾斜的打印件/層錯位

模型的上層移位。X或Y軸的打印頭不易移動。X或Y軸沒有對齊，也就是說沒有構(gòu)成100%的直角。有滑輪沒有固定到位。關(guān)掉打印機電源，徒手試試是否能輕松移動各軸。如果感覺僵硬，或者某個方向更易/較難移動，那么在軸上抹一滴縫紉機油。為了檢查各軸是否對齊：向打印機左側(cè)和右側(cè)移動打印頭，檢查滑塊間距、兩邊的滑輪。重復(fù)此步驟，檢查打印機前后。如果存在未對齊的情況，松開有問題的滑輪螺絲。略微推動滑塊，對齊軸，然后緊固螺絲。另一軸重復(fù)上述步驟。檢查滑輪的螺絲是否緊固。需要的話，進(jìn)行加固。

2.6 層未對齊

模型中間的一些層出現(xiàn)位移。

打印機皮帶沒有緊固。頂板沒有加固，圍繞底板搖晃。Z軸有一根桿不夠直。檢查皮帶，根據(jù)需要進(jìn)行加固。檢查頂板，根據(jù)需要進(jìn)行加固。檢查Z軸桿，更換不直的桿。

2.7 丟失層

模型打印中跳過了某些層，導(dǎo)致存在間隙。由于某些原因，打印機未能在本該打印的層提供所需的塑料材料。這就稱為（臨時）未擠出?？赡芗?xì)絲（比如直徑有差異）、細(xì)絲卷、送絲輪存在問題或者噴嘴堵塞。打印床摩擦造成了暫時性的卡死。這是由于垂直桿沒有完全與線性軸承對齊。Z軸桿或軸承存在問題：桿歪曲、臟或抹油過度。找到桿和軸承的問題，并解決。比如，如果油太多，那就擦掉。如果懷疑桿和軸承沒有對齊，查閱打印機用戶指南，了解矯正方式。找到未擠出的原因會比較難。檢查細(xì)絲卷和送絲系統(tǒng)。打印測試，看看問題有沒重現(xiàn)——這有助于找到問題。

2.8 高個模型出現(xiàn)裂痕

模型的側(cè)面出現(xiàn)裂痕。此問題在高個模型中尤其多見。頂部材料比底部材料降溫快——因為加熱床的溫度無法傳遞至高處。因此，頂部材料的黏合度降低。

提高擠出機溫度——最好提高10℃。打印床溫度提高5-10℃。

2.9 下陷

模型的上表面出現(xiàn)凹陷，甚至有洞。通常是由于冷卻存在問題。上表面不夠厚實。打印上表面時，將冷卻風(fēng)扇設(shè)置為最高速。確保上表面至少有6層厚度。

2.10 拉絲

模型零部件間出現(xiàn)不需要的塑料絲。打印頭在非打印狀態(tài)下移動時，打印頭滴落部分細(xì)絲。大多數(shù)打印機都有回縮功能。啟動此功能后，在非打印狀態(tài)下移動打印頭前打印機就會縮進(jìn)細(xì)絲。這樣就不會有多余的塑料材料從打印頭滴落，形成拉絲了。確保在分層軟件中啟動此功能。

建模文件形體較好，比較還原電影中人物造型。當(dāng)然打印中還出現(xiàn)過擠出機因為松緊問題打滑導(dǎo)致送料不足，噴嘴部分出絲不均導(dǎo)致模型細(xì)節(jié)崩塌，擰緊解決。同樣當(dāng)高強度使用打印機之后，擠出機中送料的齒輪因為磨損而有滑絲，導(dǎo)致送料時打滑，同樣造成模型打印失真，后更換全新結(jié)構(gòu)的擠出齒輪解決。

模型精度初步達(dá)到了預(yù)期，由于電機的細(xì)分，擠出頭的更換，散熱更好等原因，打印成品已經(jīng)有基本的精度，在影視道具和設(shè)計打樣有著比較大的運用。

3 結(jié)束語

基于Arduino的3D打印機，打印速度快、穩(wěn)定性好、細(xì)膩度高， 3D打印技術(shù)將三維實體加工變成二維平面加工，降低了制造的復(fù)雜度，將自己的想法轉(zhuǎn)化成為現(xiàn)實。電影中、游戲中的角色，都可以運用3D打印技術(shù)實現(xiàn)，例如《鋼鐵俠》、《守望先鋒》、《海賊王》等個性化的人物。對3D打印機的靈活應(yīng)用本身就是一個創(chuàng)新和創(chuàng)造的過程，形成創(chuàng)造性思維和運用3D建模軟件設(shè)計的習(xí)慣，大膽地去想和做，發(fā)揮和培養(yǎng)創(chuàng)造性的智商。

參考文獻(xiàn)：

[1]瓊·霍瓦特.3D打印技術(shù)指南：建模、原型設(shè)計與打印的實戰(zhàn)技巧[M].張佳進(jìn)，等，譯.人民郵電出版社，2016：12-16.

[2]郎為民，徐延軍.一本書讀懂3D打印[M].人民郵電出版社，2016：1-33.

[3]王銘，劉恩濤，劉海川.三維設(shè)計與3D打印基礎(chǔ)教程[M].人民郵電出版社，2016：140-145.

[4]刁彬斌，蔣禮，王璇，等.小創(chuàng)客輕松玩轉(zhuǎn)3D打印[M].化學(xué)工業(yè)出版社，2017：32-132.