一種基于FDM技術(shù)的3D打印機(jī)成型精度的研究思路

孫浩然　馬丹丹　于長(zhǎng)有

摘 要：3D打印技術(shù)出現(xiàn)于上世紀(jì)90年代中期，到目前為止只有30多年的發(fā)展歷程。3D打印技術(shù)屬于新興技術(shù)和先進(jìn)制造技術(shù)。3D打印機(jī)是建立在3D打印技術(shù)基礎(chǔ)上的一種快速成型的機(jī)器。熔融沉積制造（FDM）技術(shù)是3D打印技術(shù)領(lǐng)域中的一種。部分的3D打印機(jī)在結(jié)構(gòu)性設(shè)計(jì)上，沒有較好的參考、借鑒那些傳統(tǒng)的機(jī)器設(shè)計(jì)的成熟經(jīng)驗(yàn)和成果。文章講述的是一種基于FDM技術(shù)的3D打印機(jī)成型精度的研究思路。通過(guò)借鑒機(jī)床結(jié)構(gòu)原理和注塑模結(jié)構(gòu)原理中的成熟技術(shù)，提出若干技術(shù)規(guī)范要求，重新設(shè)計(jì)部分零部件，改進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

關(guān)鍵詞：3D打印機(jī)；熔融沉積制造；成型精度；機(jī)床結(jié)構(gòu)；注塑模結(jié)構(gòu)

中圖分類號(hào)：TH122 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）17-0069-03

Abstract： 3D printing technology appeared in the mid-1990s， so far only more than 30 years of development. 3D printing technology belongs to new technology and advanced manufacturing technology. 3D printer is a rapid prototyping machine based on 3D printing technology. Fused Deposition Modeling （FDM） technology is one of the 3D printing technologies. Part of the 3D printer in structural design is not based on good reference to mature experience and results of traditional machine design. This paper describes a research idea of 3D printer forming accuracy based on FDM technology. Through drawing lessons from the mature technology of machine tool structure principle and injection mould structure principle， this paper puts forward some technical specification requirements， redesigns some parts and improves the system structure.

Keywords： 3D printer； Fused Deposition Modeling （FDM）； molding accuracy； machine tool structure； injection mould structure

引言

3D打印技術(shù)出現(xiàn)于上世紀(jì)90年代中期，到目前為止只有30多年的發(fā)展歷程，屬于新興技術(shù)和先進(jìn)制造技術(shù)。它是一種利用光固化技術(shù)或紙層疊技術(shù)進(jìn)行增材制造的工藝方法，也是一種材料的快速成型技術(shù)。它與平時(shí)常見的普通打印機(jī)的工作原理相似。只是普通打印機(jī)的打印材料為墨水和紙張，而3D打印機(jī)所使用的材料為各種實(shí)實(shí)在在的3D打印材料，其中最常見的為塑料。打印時(shí)，把一層層材料疊加起來(lái)，實(shí)現(xiàn)2D到3D的三維實(shí)體塑造。通過(guò)這種3D打印技術(shù)，可以輕松實(shí)現(xiàn)電腦上的三維實(shí)體造型設(shè)計(jì)由藍(lán)圖變?yōu)閷?shí)物。

目前，3D打印技術(shù)主要有熔融沉積式（FDM）、選擇性激光燒結(jié)（SLS）、分層實(shí)體制造（LOM）、數(shù)字光處理 （DLP）等類型。

1 基于FDM技術(shù)3D打印機(jī)的成型精度

熔融沉積制造（FDM）技術(shù)是3D打印技術(shù)領(lǐng)域中應(yīng)用最為廣泛的類型之一，是將各種絲材加熱熔化進(jìn)而堆積成型方法?；贔DM技術(shù)3D打印機(jī)使用的打印材料材質(zhì)有熱塑性塑料，共晶系統(tǒng)金屬、可食用材料等。目前最常用的是丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）和聚乳酸（PLA）兩種塑料材質(zhì)，即基于FDM技術(shù)3D打印機(jī)所打印出來(lái)的產(chǎn)品主要是塑料材質(zhì)。

這種以塑料材質(zhì)打印出來(lái)的3D產(chǎn)品（零部件）和機(jī)械工業(yè)中利用其它成型方法得到的金屬材質(zhì)產(chǎn)品（零部件）一樣，不僅在尺寸精度上有公差要求，還可能選擇性標(biāo)注有所需的形位公差，這些都對(duì)基于FDM技術(shù)的3D打印機(jī)提出了成型精度的要求。

2 關(guān)于基于FDM技術(shù)3D打印機(jī)的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)理念

首先，針對(duì)市面上相當(dāng)數(shù)量的基于FDM技術(shù)3D打印機(jī)成型精度不高且難以保證的問(wèn)題，本文先嘗試分析對(duì)這種3D打印機(jī)的設(shè)計(jì)理念。

3D打印機(jī)（3DP），是建立在3D打印技術(shù)基礎(chǔ)上的一種快速成型的機(jī)器。一部機(jī)器需要符合的三個(gè)特征3D打印機(jī)都具有，即：

（1）人為的多件實(shí)物組合體。

（2）各實(shí)物體間具有確定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系。

（3）完成有用功或?qū)崿F(xiàn)能量轉(zhuǎn)換。

但是，市面上最常見的那些打印機(jī)，設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)時(shí)，有時(shí)是從3D打印機(jī)是一種建立在新興技術(shù)、先進(jìn)制造技術(shù)基礎(chǔ)上的這個(gè)概念出發(fā)的。而缺少對(duì)3D打印機(jī)是在過(guò)去很長(zhǎng)一段時(shí)期的傳統(tǒng)工業(yè)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種工業(yè)裝備的認(rèn)識(shí)。當(dāng)下媒體所關(guān)注的方面，也往往側(cè)重于3D打印技術(shù)的各種能吸引人的新奇消息。

3D打印機(jī)是制造產(chǎn)品的機(jī)器，是工作母機(jī)，不是“玩具”。我們甚至可以從工業(yè)分類來(lái)說(shuō)，設(shè)計(jì)和生產(chǎn)制造3D打印機(jī)的行業(yè)，屬于重工業(yè)，而非輕工業(yè)。這種設(shè)計(jì)理念上的偏差造成的結(jié)果是市面上占有市場(chǎng)率較高的部分3D打印機(jī)類型，有相當(dāng)一部分難以滿足使用需求和保證打印精度。這部分打印機(jī)，價(jià)格從幾百到上萬(wàn)。其中中低端產(chǎn)品多為拼接結(jié)構(gòu)，甚至構(gòu)成部件很多為塑料材質(zhì)（如亞克力）。打印出的產(chǎn)品精度較低，難以嚴(yán)格保證尺寸、形狀和位置精度。

新興技術(shù)、“玩具”這些名詞和概念，明顯使得3D打印機(jī)偏離了其是一種工業(yè)設(shè)備的理念。因此，市面上能常常見到的3D打印機(jī)，觀察研究其結(jié)構(gòu)，和傳統(tǒng)的有嚴(yán)格技術(shù)要求，有各種行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的金屬切削機(jī)床和塑料成型注塑機(jī)不一樣。很多很好的技術(shù)措施并沒有在3D打印機(jī)上體現(xiàn)出來(lái)，沒有很好的借鑒傳統(tǒng)工業(yè)設(shè)計(jì)中的成熟經(jīng)驗(yàn)和成果。分析其原因，主要在于對(duì)3D打印機(jī)的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)理念上，沒有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)亩x3D打印機(jī)為傳統(tǒng)工業(yè)設(shè)備的升級(jí)版。

3 基于FDM技術(shù)3D打印機(jī)成型精度的總體研究思路

目前基于FDM的3D打印機(jī)，較常見的有XYZ三坐標(biāo)型、極坐標(biāo)型和“三角洲”并聯(lián)臂結(jié)構(gòu)三種結(jié)構(gòu)類型。市面上，淘寶和京東等網(wǎng)上商城里可以很方便的購(gòu)買到各種3D打印機(jī)，價(jià)格從幾百到數(shù)萬(wàn)不等。這些3D打印機(jī)大體上可以分為兩類，低端為經(jīng)濟(jì)型基于FDM技術(shù)的3D打印機(jī)，中高端為工業(yè)型基于FDM技術(shù)的3D打印機(jī)。

根據(jù)數(shù)據(jù)采集調(diào)查的結(jié)果，下面舉例說(shuō)明如若購(gòu)買這些3D打印機(jī)回來(lái)，組裝調(diào)試后打印產(chǎn)品，可能存在的幾類問(wèn)題：

（1）打印精度較低，且難以保證。經(jīng)濟(jì)型3D打印機(jī)，多數(shù)廠家的機(jī)器參數(shù)寫的是打印精度可達(dá)到0.1-0.4mm。實(shí)際打印時(shí)，打印精度較多的依靠安裝調(diào)試人員、打印操作人員的技術(shù)水平，甚至靠運(yùn)氣。一旦打印精度偏離精度要求，不像傳統(tǒng)機(jī)床一樣，有完備的一套精度檢測(cè)方法和合適的測(cè)量工具，更沒有完備的調(diào)整精度的措施。因此實(shí)際打印過(guò)程精度較低，一般偏向于0.4mm的較低值，甚至往往達(dá)不到。即使價(jià)格較高的工業(yè)型3D打印機(jī)，相當(dāng)一部分也可能難以保證精度能穩(wěn)定的保證在0.1mm以上。

（2）常見3D打印機(jī)的送料機(jī)構(gòu)，使用的耗材是塑料

絲。大多采用摩擦輪利用摩擦力送料，這難免會(huì)有誤差。

（3）而送入喉管加熱區(qū)的塑料絲，已經(jīng)被融化的部分不被后來(lái)的塑料絲擠入而產(chǎn)生返流，依靠的是鐵氟龍管的特殊性能。這種設(shè)計(jì)雖然也可以得到一定的精度，但聽起來(lái)就是一種模糊計(jì)算。

（4）鐵氟龍管和喉管之間是有縫隙的，間隙處導(dǎo)熱慢，在打印開始之后很長(zhǎng)時(shí)間都處于固態(tài)，所以一直擠不動(dòng)。如果縫隙過(guò)大，會(huì)造成堵頭，擠出頭有很多種結(jié)構(gòu)，但堵頭原因大多是因?yàn)槿绱恕?/p>

針對(duì)以上提出的問(wèn)題，我們?cè)诖颂岢龌贔DM技術(shù)的3D打印機(jī)成型精度的總體研究思路，以確?；贔DM技術(shù)的3D打印機(jī)的成型精度。從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、技術(shù)規(guī)范上解決其打印產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定的情況。

針對(duì)上述問(wèn)題1，即基于FDM技術(shù)的3D打印機(jī)精度不高，且難以保證的問(wèn)題。經(jīng)濟(jì)型3D打印機(jī)精度問(wèn)題的首要原因在于其大多是簡(jiǎn)單的拼接結(jié)構(gòu)，要求用戶自己組裝。這些零件之間的組裝方法，大多過(guò)于簡(jiǎn)易。這些組裝方法可能存在松緊上的難以把握，導(dǎo)致零件間的間隙存在和相對(duì)位置關(guān)系難以保證等情況，造成3D打印系統(tǒng)的累計(jì)誤差。相當(dāng)多的經(jīng)濟(jì)型3D打印機(jī)，較多的零部件，尤其是框架部分采用的是稱為亞克力的一種塑料材質(zhì)。這種塑料件在安裝和使用過(guò)程中，一旦受力較大或者溫度變化較大，就會(huì)發(fā)生變形。毫無(wú)疑問(wèn)，作為機(jī)架部分，是整個(gè)機(jī)器其它零部件安裝定位的基準(zhǔn)，易發(fā)生變形，使得3D打印機(jī)的精度更難以得到保證。對(duì)于工業(yè)型3D打印機(jī)，零件之間的配合關(guān)系、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的剛度等情況有較大的改觀，但是如同經(jīng)濟(jì)型3D打印機(jī)一樣，都存在安裝、調(diào)試和使用過(guò)程中，對(duì)精度的檢驗(yàn)、調(diào)試及機(jī)器的修理缺少完備的技術(shù)規(guī)范和措施的情況。為解決改善這個(gè)問(wèn)題，其中的一個(gè)研究方向是，針對(duì)3D打印機(jī)同樣作為可以生產(chǎn)產(chǎn)品的工作母機(jī)，在機(jī)器結(jié)構(gòu)和工作原理上與傳統(tǒng)的通用型機(jī)床有很多相通之處，可以借鑒這些傳統(tǒng)機(jī)床成熟的技術(shù)規(guī)范和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，以研究確保傳統(tǒng)機(jī)床加工精度相關(guān)技術(shù)措施的視角，來(lái)研究如何確保3D打印機(jī)的成型精度。

作為此研究思路的舉例說(shuō)明，有一種基于FDM技術(shù)的龍門式XYZ三坐標(biāo)型3D打印機(jī)，主要結(jié)構(gòu)為龍門式框架，橫梁可在垂直方向上下移動(dòng)，打印機(jī)噴頭、擠出機(jī)構(gòu)和送料機(jī)構(gòu)安裝在橫梁上可沿著橫梁左右移動(dòng)，打印平臺(tái)在擠出頭下方可做前后移動(dòng)。這種機(jī)器機(jī)構(gòu)和某種固定式龍門銑床非常類似，因此GB/T 19362《龍門銑床檢驗(yàn)條件 精度檢驗(yàn)》等相關(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)就可以拿來(lái)借鑒參考，找出提高基于FDM技術(shù)的3D打印機(jī)成型精度的技術(shù)措施。

針對(duì)上述問(wèn)題2、問(wèn)題3、問(wèn)題4，原因主要可以歸納為，當(dāng)前在設(shè)計(jì)基于FDM技術(shù)的3D打印機(jī)的送料機(jī)構(gòu)和擠出機(jī)構(gòu)時(shí)，沒有針對(duì)打印耗材為熔融材料（例如塑料）這一特點(diǎn)，采取更實(shí)用、更好的工藝措施。因此，本文提出的研究思路為傳統(tǒng)工業(yè)技術(shù)中塑料成型和注塑模設(shè)計(jì)領(lǐng)域有較多的成熟經(jīng)驗(yàn)可以參考和借鑒。機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 7267-2004《塑料注塑成型機(jī)》雖然已于2017年被廢止，但是仍有一定的參考意義，目前該標(biāo)準(zhǔn)無(wú)新的替代標(biāo)準(zhǔn)出臺(tái)，所以可以參考此類技術(shù)現(xiàn)行的一些企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。此外在塑料注塑成型方面，諸如GB/T 17037.1-1997《熱塑性塑料材料注塑試樣的制備 第1部分：一般原理及多用途試樣和長(zhǎng)條試樣的制備》、GB/T 17037.4-2003《塑料 熱塑性塑料材料注塑試樣的制備 第4部分： 模塑收縮率的測(cè)定》等相關(guān)現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)注或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)都可以被借鑒。

4 基于FDM技術(shù)3D打印機(jī)成型精度的研究方法和技術(shù)路線

不論是借鑒傳統(tǒng)工業(yè)中的金屬切削機(jī)床或是注塑機(jī)的塑料成型，現(xiàn)有的成熟的技術(shù)規(guī)范和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)都是有參考價(jià)值的技術(shù)資料。在比對(duì)基于FDM技術(shù)的3D打印機(jī)和金屬切削機(jī)床或是注塑機(jī)的結(jié)構(gòu)相似處與不同之處的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)有的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)范，查找誤差形成的原因和提高精度的方法。在此基礎(chǔ)上，本論文提出的研究思路下，研究方法為在分析理清3D打印機(jī)誤差形成原因和如何提高精度等問(wèn)題后，對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理和部分零部件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

具體來(lái)說(shuō)，通過(guò)研究基于FDM技術(shù)3D打印機(jī)的工作原理、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、零部件結(jié)構(gòu)、切片軟件、實(shí)際打印過(guò)程、產(chǎn)品精度檢測(cè)、誤差分析、基于FDM技術(shù)的3D打印機(jī)結(jié)構(gòu)與機(jī)床結(jié)構(gòu)優(yōu)化性比較分析、基于FDM技術(shù)的3D打印機(jī)結(jié)構(gòu)與注塑機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化性比較分析，最終提出改進(jìn)性方案和意見。通過(guò)借鑒機(jī)床結(jié)構(gòu)原理和注塑機(jī)結(jié)構(gòu)原理中的成熟技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，提出若干技術(shù)規(guī)范要求，重新設(shè)計(jì)部分零部件，改進(jìn)系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)和運(yùn)行原理。從改進(jìn)基于FDM技術(shù)的3D打印機(jī)設(shè)計(jì)方案和定制其若干安裝、調(diào)試和修理的技術(shù)規(guī)范的方法上，實(shí)現(xiàn)提高基于FDM技術(shù)的3D打印機(jī)打印精度的目標(biāo)。

具體來(lái)說(shuō)，針對(duì)經(jīng)濟(jì)型基于FDM技術(shù)的3D打印機(jī)和工業(yè)型基于FDM技術(shù)的3D打印機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理可能有所不同的角度，分別選擇其有代表性的機(jī)器結(jié)構(gòu)類型，可以擬定基于FDM技術(shù)3D打印機(jī)成型精度的研究技術(shù)路線，如圖1所示。

5 此種基于FDM技術(shù)3D打印機(jī)成型精度研究思路的意義

以機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的角度來(lái)看待和優(yōu)化基于FDM技術(shù)的3D打印機(jī)，是一種創(chuàng)新性思維。以注塑機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的角度來(lái)考慮基于FDM技術(shù)的3D打印機(jī)中的擠出機(jī)構(gòu)和送料機(jī)構(gòu)，力求去除模糊化設(shè)計(jì)，精確性的保證3D打印機(jī)的打印精度，也是一種創(chuàng)新性思維。而讓3D打印技術(shù)與傳統(tǒng)工業(yè)技術(shù)更緊密的結(jié)合，從傳統(tǒng)工業(yè)技術(shù)中吸收借鑒好的經(jīng)驗(yàn)和成果，確保并提高3D打印機(jī)的成型精度，是一種具有可行性的研究思路。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳懷宇.3D打?。喝S智能數(shù)字化創(chuàng)造[M].北京：電子工業(yè)出版社，2014.

[2]屈華昌.塑料成型工藝與模具設(shè)計(jì)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007.

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

[4]王忠宏，李揚(yáng)帆，張曼茵.中國(guó)3D打印產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀及發(fā)展思路[J].經(jīng)濟(jì)縱橫，2013，28（1）：90-93

[5]黃衛(wèi)東.如何理性看待增材制造（3D打?。┘夹g(shù)[J].新材料產(chǎn)業(yè)，2013（8）：9-12.

[6]李金華，張建李，姚芳萍，等.3D打印精度影響因素及翹曲分析[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2014，36（21）：94-96.