基于熔融沉積技術(shù)的3D打印產(chǎn)品設(shè)計探討

李圓圓 王遠(yuǎn)

關(guān)鍵詞：熔融沉積技術(shù);3D打印;產(chǎn)品設(shè)計

1熔融沉積技術(shù)概述

熔融沉積技術(shù)的原理是將絲狀的原材料融化后通過噴頭擠出后按路徑逐層堆疊起來直至固化成型。相較其他打印技術(shù)，在打印層數(shù)相同的條件下熔融沉積技術(shù)的打印速度更快，同時其打印設(shè)備及材料成本也相對較低，工作環(huán)境要求低，是目前3D打印產(chǎn)品所使用最廣泛的工藝。

2基于熔融沉積技術(shù)的3D打印產(chǎn)品設(shè)計意義

一方面，熔融沉積技術(shù)在生產(chǎn)運用中具備3D打印技術(shù)可制備傳統(tǒng)減材及傳統(tǒng)塑料制造工藝無法或難以加工的產(chǎn)品的優(yōu)勢，可以準(zhǔn)確地制作出各種結(jié)構(gòu)復(fù)雜的產(chǎn)品，大幅拓展了產(chǎn)品或零件的形態(tài)設(shè)計想象空間;結(jié)合逆向工程給高定制、個性化的設(shè)計帶來了更多可能。另一方面，在設(shè)計過程中使用熔融沉積技術(shù)進(jìn)行3D打印成品可以大幅縮減產(chǎn)品開發(fā)周期，無需設(shè)計制造模具及機(jī)械加工等一系列的時間及成本即可得到樣品反饋，便于設(shè)計師的產(chǎn)品改進(jìn)，使設(shè)計變得更加靈活。

3基于熔融沉積技術(shù)的3D打印產(chǎn)品設(shè)計方法

3.1控制成本

相較于傳統(tǒng)塑料制品工藝，在小批量甚至單件生產(chǎn)中，傳統(tǒng)工藝由于要增加高昂的模具成本，3D打印的成本就顯得較為低廉，具有較大優(yōu)勢。但在大批量生產(chǎn)中，除去熔融沉積技術(shù)在制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)上的優(yōu)勢，3D打印在生產(chǎn)件均耗時、能源、材料成本上都相對傳統(tǒng)工藝較高。

3.2選擇具有實用性的材料

采用熔融沉積技術(shù)的3D打印原材料種類眾多，在產(chǎn)品設(shè)計中具有較高實用性和巨大潛力。最普遍的成本也最為低廉的材料有PLA和ABS材料，其中PLA的打印性能優(yōu)于ABS材料，同時，因其成本低廉、無毒、可降解、性能優(yōu)異等優(yōu)點成為使用最廣泛的材料。但其具備的水解性使得該材料不適用于一部分長期與水有接觸的產(chǎn)品，同時其作為一種脂，也要避免與可相溶物的接觸。如花盆、水杯等家居產(chǎn)品的設(shè)計中，在選擇打印材料上要有區(qū)分。同時，所有基于熔融沉積技術(shù)成型的3D打印材料熔點都比較低，普遍范圍在190℃至280℃之間，并且材料本身在70℃左右就會開始變軟甚至發(fā)生塑性變形，所以在設(shè)計中，絕不能在直接接觸熱源甚至是長期置于熱源附近，包括但不限于長期置于陽光直射環(huán)境下的產(chǎn)品如白熾或蠟燭燈罩、煙灰缸、插座、隔熱墊、汽車內(nèi)使用物等產(chǎn)品中采用熔融沉積技術(shù)成型的產(chǎn)品。此外，為獲得更多樣化的產(chǎn)品材質(zhì)，通過摻雜不同添加物可獲得仿金屬、木材、石材、陶瓷等質(zhì)感的3D打印材料。同時，添加后的材料與純粹的PLA材料力學(xué)性能有較大差異，應(yīng)根據(jù)實際材料性能選用。

3.3控制基底翹曲

熔融沉積技術(shù)常選用熱塑性材料，其材料加工過程中需從固態(tài)到液態(tài)，再到固態(tài)的變化，在此過程中由于相態(tài)與溫度變化，材料因收縮率不均勻極易導(dǎo)致產(chǎn)品底部產(chǎn)生翹曲。翹曲程度與材料打印性能和基底尺寸直接有關(guān)，故而，在產(chǎn)品設(shè)計時，要結(jié)合產(chǎn)品選材進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計，在實際加工中，對于易翹曲的材料會使用熱床輔助打印，一定程度上可以避免翹曲發(fā)生或降低翹曲程度，但對基底尺寸較大的零件作用較為有限。所以在設(shè)計產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)時應(yīng)該保證避免基底部分為較大平面，對基底尺寸進(jìn)行控制。對于零件基底面積由于功能或力學(xué)性能要求不可以縮減面積時，可以采用基底面積分割或零件切割打印后組裝的設(shè)計。

3.4控制表面須狀毛刺

在打印過程中，打印機(jī)噴頭的溫度會一直保持在稍高于材料融點左右，此時材料的流動性較高，噴頭在擠出融化材料的同時還在按路徑行走，材料如果吸附在上一層上，則順利成型;但如果打印噴頭空走，材料由于慣性流出而未涂覆在新層表面上，冷卻固化后這部分材料就會形成表面須狀毛刺，如圖1所示。在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計中，應(yīng)在了解打印機(jī)的切片邏輯前提下，盡量減少會造成噴頭空走路徑的結(jié)構(gòu)，避免將表面質(zhì)量要求較高的產(chǎn)品設(shè)計為噴頭行走路徑走空的外沿，進(jìn)而消除表面須狀毛刺。

3.5控制表面階梯層

由于熔融沉積技術(shù)、工藝成型技術(shù)表面精度存在誤差，產(chǎn)品表面會顯示出類似“階梯”的層表面，如圖2所示。這是工藝成型原理所造成的，因此只能減小，不能消除。通過降低打印層高可有效縮小“階梯”層，以獲得更高表面精度，但當(dāng)模型表面在平行工作臺的方向曲率過大或模型表面與成型方向之間的夾角角度較大時，縮減層高的方法對“階梯”效應(yīng)改善效果則較小，如圖3所示。此外，設(shè)計模型的最高處為錐體、回轉(zhuǎn)體頂點、曲面頂點等點或極小面積結(jié)構(gòu)時，打印結(jié)束時材料溢出而形成的痕跡也影響表面精度，因此在設(shè)計模型時，需在考慮設(shè)計模型高度時，避免頂點材料溢出，進(jìn)而保證產(chǎn)品表面精度。

3.6控制支撐結(jié)構(gòu)痕跡

3D打印因由底層逐層向上堆疊，故無法直接打印懸空結(jié)構(gòu)，需在懸空結(jié)構(gòu)下方打印支撐結(jié)構(gòu)，如圖4所示。支撐結(jié)構(gòu)與主體模型分離時會在表面留下未分離干凈的支撐殘余痕跡，嚴(yán)重影響主體模型表面質(zhì)量。在設(shè)計模型時，應(yīng)結(jié)合產(chǎn)品實際減少大面積懸空結(jié)構(gòu)設(shè)計，懸空結(jié)構(gòu)無法避免時，可嘗試將零件拆分設(shè)計或打印，使懸空結(jié)構(gòu)減少。除去懸空結(jié)構(gòu)外，傾斜面打印也存在支撐結(jié)構(gòu)問題，與懸空結(jié)構(gòu)不同的是傾斜面與水平面夾角較大時，材料能較好熔覆，不產(chǎn)生懸空滴落現(xiàn)象，如圖5所示。一般打印切片軟件會以是否大于45°為界限大致判斷增加支撐的必要性，但不產(chǎn)生滴落的角度實際打印中會小于45°，但不同材料特性不同，應(yīng)在設(shè)計前打印不同角度測試模型以獲得相對準(zhǔn)確的極限傾角。根據(jù)傾斜面的特性，可以考慮在設(shè)計結(jié)構(gòu)時，將懸空結(jié)構(gòu)置換為傾角較大的傾斜面、連續(xù)曲面結(jié)構(gòu)，或由這兩種表面組成的鏤空結(jié)構(gòu)，可以有效減少支撐結(jié)構(gòu)以避免支撐痕跡。

3.7打磨拋光和上色

3.7.1打磨拋光

熔融沉積技術(shù)的打印尺寸精度本身也相對其他工藝較低，同時階梯、毛刺、工藝自身缺陷等原因也使得產(chǎn)品表面質(zhì)量較低，故而需對熔融沉積技術(shù)產(chǎn)品進(jìn)行拋光后處理。拋光工藝主要包括砂紙手工打磨、珠光處理、震動拋光及化學(xué)拋光等幾種。手工打磨方式最簡單易行，使用廣泛，但耗時較長;珠光處理是使用高速噴射打磨介質(zhì)的方式來進(jìn)行拋光，拋光效果較好;震動拋光是利用震動使打磨介質(zhì)與待打磨的表面之間的碰撞與摩擦來進(jìn)行拋光，珠光處理與震動拋光都需要有專用設(shè)備;3D材料拋光液拋光是化學(xué)拋光法中的一種，通過溶解表面材料來降低表面粗糙度，但易使材料表面強(qiáng)度下降。

3.7.2上色

上色的方式主要有手涂、噴漆、浸染、電鍍上色等，此外還有自動配色打印，但其機(jī)價格高昂。主要限制上色工藝選擇的因素只與有材料和染劑間的吸附性有關(guān)，在產(chǎn)品外觀設(shè)計時應(yīng)結(jié)合起來進(jìn)行工藝選擇。

4結(jié)語

熔融沉積技術(shù)為3D打印產(chǎn)品設(shè)計提供了更多的形態(tài)可能與快速成型反饋的便利，在產(chǎn)品設(shè)計中具有廣闊的前景。它的工藝特點決定了其適用于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)在傳統(tǒng)減材工藝下無法或難以加工或小批量、定制性較高的產(chǎn)品，同時其采用材料與精度也對產(chǎn)品設(shè)計有一定局限性。根據(jù)3D打印工藝特性和產(chǎn)品使用要求可對產(chǎn)品進(jìn)行合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計，遵循基底尺寸應(yīng)合適，減少支撐結(jié)構(gòu)的使用，頂部避免小面積結(jié)構(gòu)，打印邏輯減少空走行程等設(shè)計原則可以有效提高產(chǎn)品表面質(zhì)量，同時合理選擇材料、工藝、后處理方式能進(jìn)一步優(yōu)化產(chǎn)品質(zhì)量。