熔融沉積式3D打印路徑優(yōu)化算法研究

周名偵 黃健霏 余金榮

摘 要：本文根據需要打印的實體工件，建立模型，并對模型的主要工藝參數進行分析，推導出來層高、打印速度和打印溫度等主要打印工藝的數值。通過計算機與3D打印機建立熔融沉積的實驗平臺，規(guī)劃打印路徑，優(yōu)化熔融沉積打印機參數方案，不斷實驗得出最優(yōu)組合，并驗證了參數分析和優(yōu)化結果的準確性。

關鍵詞：熔融沉積；3D打印；優(yōu)化算法

中圖分類號：TH162 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）05-0053-02

0 前言

現(xiàn)在3D打印作為新型數字化制造技術已經有了越來越廣泛的應用，其相當于一臺三軸的數控加工機床，但是和傳統(tǒng)的加工方式不同，其是計算機控制下進行逐層堆積進而獲得實體產品。現(xiàn)在3D打印技術發(fā)展迅速，桌面級的3D打印機已經逐漸普及了起來，提高打印精度勢在必行。相同硬件的熔融堆積3D打印機在不同參數設置情況下會獲得到截然不同的精度。文章對熔融沉積3D打印機工藝參數進行分析建模并通過正交試驗來獲得參數對精度影響的最優(yōu)組合方式。

1 熔融沉積3D打印機工作原理

熔融沉積成型工藝使用的材料是熱塑性材料，熔點在100到300攝氏度之間，一般是PLA或者尼龍等，材料通過送料機給進，之后在噴頭處受熱融化并擠出，噴頭沿著工件的外截面輪廓和內部填充軌跡進行運動的同時材料發(fā)生固化并和已經有的材料粘結堆積，獲得實體工件。熔融沉積打印技術和其他3D打印技術相比較使用的材料是工業(yè)級熱塑料，獲得到的產品具有良好的耐熱性和耐腐蝕性，且內部的機械應力顯著較小。熔融沉積3D打印獲得到的產品有著較多的種類和較強的成型強度，精度也很高，現(xiàn)在一半使用在概念模型和功能原型甚至是零部件生產過程中。

2 熔融沉積3D打印機參數優(yōu)化試驗

對熔融沉積3D打印機進行試驗設計，運用正交實驗法來獲得較好的參數，和計算得到參數進行比較驗證。

2.1 實驗模型建立

對試驗模型進行選擇建立的時候要遵循以下原則：試驗目的在于驗證3D打印機優(yōu)化情形會對產品精度產生的影響，所需要使用pro軟件來制造模型，設計出來同時具有平面斜面和曲面的模型，對其進行建模分析并進行精度測量。

2.2 工藝參數分析

根據試驗平臺當中上位機切片軟件的分析結果以及熔融沉積3D打印機的工藝參數進行分析，得到影響加工精度的主要影響參數為層高、打印速度和打印溫度。

2.2.1 層高

層高的幾何意義在于對STL文件進行切片的時候的間距數值，工藝意義是熔融沉積3D打印機噴頭走過一層的厚度。熔融沉積工藝進行打印的過程中經常會出現(xiàn)層和層之間有著不連續(xù)現(xiàn)象，這一情況一般稱為階梯現(xiàn)象。層數越高的情況下就會有著越小的階梯現(xiàn)象，這樣的話會占用大量的打印時間，但是表面精度會明顯改善。層高參數和噴口的內徑有著直接關系，同時也會受到機械結構等因素的影響。實驗室用的3D打印機是STD公司的第一代機器，噴口大小為0.5毫米，也就是說層高限制為0.5毫米以下的時候才能確保層與層之間良好粘結。

2.2.2 打印速度

打印速度的改變會對加工效率產生直接的影響，在噴頭擠絲量和擠絲直徑一定的情況下也會影響到熔絲在加工表面上的精度。實際絲線基礎的長度和理論長度之間的夾角正切值等于直徑比上擠出速度和實踐的乘積，所以夾角正切值最好是趨近于零，否則就會導致超出了理論長度的絲線被噴頭擠壓進而位移，導致輪廓出現(xiàn)十分明顯的誤差。對于打印速度進行反復調整，每次打印長度100毫米，對起始段和終端進行測量，最后得到高度差最小的打印速度為35毫米每秒左右。

2.2.3 打印溫度

當噴頭溫度過低的時候可能會出現(xiàn)材料不能粘結到熱床上的問題，還可能會出現(xiàn)層間剝離的問題，與此同時經常會伴隨著噴嘴堵塞的問題，不僅僅帶來精度較低的問題，還會降低產品的安全系數。噴頭溫度過高的時候就會導致材料擠出的時候基本是液態(tài)，這就會導致材料難以控制，成型過程就會產生形變，最后獲得的產品精度很低。根據PLA溫度性能指標進行計算，得到最適合打印的溫度在175到220攝氏度之間。

3 填充路徑規(guī)劃

填充路徑規(guī)劃是一個合理的規(guī)劃，填充了層間夾縫閉合面積的填充順序，在本文的交叉處，有一個內輪廓的平行掃描，并對影響平行掃描質量和效率的主要因素的掃描方法進行了優(yōu)化。掃描線角度、子區(qū)域組合、區(qū)域級打印順序的優(yōu)化，決定了三維打印的效率和精度。

3.1 掃描線角度的最佳選取

從選擇的角度來看，這條線是非常重要的，一般都是平行的直線，而他的路徑，在每一條線掃描打印頭運動后，直到不驚嚇，掃描掃描打印線，在的打印過程中的起點和打印頭，反復啟動，你就必須不斷出現(xiàn)，不能在交通中，這樣容易變形等情況下，為了減少這些問題，掃描時，有必要繞過拐角，平行減少入射，但主要是對拐角處的視點和線進行掃描。有一種關系。如圖1所示。

3.2 掃描區(qū)域的合并

掃描線角度確定后，掃描線與切片輪廓之間形成一些封閉區(qū)域。每個區(qū)域由一系列掃描線組成。每個區(qū)域包含四個關鍵點，即第一掃描線的起止點和最后一掃描線的起止點。在3D打印過程中，每個區(qū)域都需要逐個掃描。掃描策略是先掃描相鄰區(qū)域，然后掃描非相鄰區(qū)域和非相鄰區(qū)域。印刷噴頭需要進行空行程運動，降低了效率。因此，在打印時，可以合并連續(xù)打印的相鄰區(qū)域。合并區(qū)域可以一次掃描，連續(xù)打印沒有空行。成運動。本文采用四點法對相鄰子區(qū)域進行合并。四點法：如果一個子區(qū)域中最后一條掃描線的端點是另一個子區(qū)域中第一條掃描線的兩端之一，則可以將該端點作為另一個子區(qū)域的起點，合并兩個子區(qū)域。如圖2所示。

3.3 其他實驗

除頭尾掃描外，還可以進行角部沉積實驗。角點數量越多，掃描區(qū)域越復雜，精度越低。同時，電機會在轉角處反復加速、減速或停止，這將導致部分打印時間顯著增加，因此實際的打印過程中盡量減少轉角的數量，這一過程對精度具有重要意義。掃描線段和橫截面之間有相同數量的拐點。根據掃描線段的角度，會有不同的拐點。假設掃描線寬度為0.4mm，則兩個截面輪廓選擇掃描線角度優(yōu)勢。得到了拐點數目與掃描線角度的一定關系。掃描線角度為0度時，拐點數目最小，掃描線角度為80度時，拐點古樹最大。為了達到應力分散的效果，必須保證相鄰層之間的掃描線相互垂直，因此每兩層需要重新選擇掃描線的角度。本文所提出的算法適用于面積填充掃描法，在實際使用過程中也可采用內支撐空心掃描法。在確定掃描線段的角度后，掃描線與切片輪廓之間形成閉合區(qū)域。該區(qū)域是通過來回掃描線段獲得的。該區(qū)域有四個關鍵點，即第一掃描線和最后一掃描線的起點和終點。封閉環(huán)起始點確定確定起始點的原則是每個封閉環(huán)僅有一個起始點且各封閉環(huán)的起始點之間的距離最小，本文采用一種改進的近鄰法確定起始點。假設截面輪廓包含n個封閉環(huán)，Loop={Loop1，Loop2，…，Loopn}，輪廓中所有封閉環(huán)由m個頂點構成，頂點集為P={P1，P2，…，Pn}，任一封閉環(huán)的頂點集為Pi={Pi1，Pi2，…，Pikn}，其中m=k1+k2+…+kn，確定起始點的具體步驟如下：（1）取頂點集P中第1個頂點P11作為封閉環(huán)P1的起始點，令S1=P11，并將P1從P中去除。（2）依次求解頂點S1到P中各點的距離，將距離頂點S1最近的頂點Pij（1≤j≤ki）取出，令S2=Pij，并將Pi從P中去除。（3）按照步驟（2）的思路，依次求解頂點Si到P中各點的距離，找到距離頂點Si最近的頂點作為Si+1，依次遍歷所有的未訪問封閉環(huán)頂點集，直到在P中的最后1個封閉環(huán)中找到Sn，依次求出S3，S4，…，Sn，可得起始點集C1={S1，S2，…，Sn}。（4）依次求解C1中相鄰兩點間的距離，并求和d1=S1S2+S2S3+…+Sn-1Sn+SnS1。（5）依次選取P中的頂點作為相對應封閉環(huán)的起始點，按照步驟（1）～步驟（4）的思路，可依次求解出m個起始點集Cr，并求出相對應的dr，其中，1≤r≤m。

4 結語

熔融沉積3D打印平臺在實驗過程中可以看出層高和打印速度以及溫度會對打印的精度有著十分明顯的影響，經過正交試驗對其主次順序和組合方式進行分析確認。首先初始化熔融沉積3D打印機和PC實驗平臺，隨后建立模型來進行正交試驗，使用極差分析法來獲得最優(yōu)組合參數，和先比交叉的組合參數進行對比來證明優(yōu)化結果的可行性。實驗表明正交實驗法蝴蝶刀的分析結果和工藝參數分析的結果是相同的，確實改善了打印的精度，能夠對工藝的執(zhí)行產生良好的指導意義。

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