基于FDM 3D打印懸空部位缺陷的模型優(yōu)化處理

◎陳 濤 郭志冬

（三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院智能制造學(xué)院，河南三門峽472000）

FDM（Fused Deposition Modeling）又稱為熔融沉積制造工藝[1]，于1988年研制成功。FDM 3D打印時(shí)，F(xiàn)DM材料在噴頭內(nèi)被加熱熔化。噴頭沿零件截面輪廓和填充軌跡運(yùn)動(dòng)，同時(shí)將熔化的材料擠出，材料迅速凝固，并與周圍的材料凝結(jié)，從而形成整個(gè)原型或零件。

1 FDM 3D原理介紹

FDM 3D打印工作原理是熔融沉積成型原理，是逐層熔化塑料3D打印耗材線圈堆積成型三維物體實(shí)物，由成型程序指令控制噴頭逐幀打印。對(duì)于桌面級(jí)的FDM 3D打印機(jī)而言，噴頭是材料擠出成型的重要部件。打印三維立體實(shí)物，需要用到ABS、PAL等熱塑性聚合物材料的3D打印材料，通常是主要用PAL 3D打印材料。目前最常用的桌面級(jí)FDM打印機(jī)，是采用熱熔融成型技術(shù)，將條狀成卷的材料，在噴頭部件里用180℃左右的溫度熔化后擠出來，附著在底板或者下一層材料上并且冷卻凝固成型。

FDM 3D打印工作過程為：先使用3D軟件設(shè)計(jì)建模模型，比如動(dòng)漫、人物、藝術(shù)玩具、模具零部件等。把3D設(shè)計(jì)圖生成STL格式，用3D切片軟件轉(zhuǎn)換成打印格式，然后保存3D打印機(jī)中，設(shè)置好打印機(jī)后，打印機(jī)就把耗材在噴頭中加熱熔融成絲，采用控制熱噴頭運(yùn)動(dòng)軌跡的方法，使其按照CAD分層數(shù)據(jù)控制的路徑沿著模型截面圖形運(yùn)動(dòng)，同時(shí)擠出半流動(dòng)狀態(tài)的材料，使其擠壓在指定位置，逐層沉積，凝固后形成整個(gè)原型或零件[2]。FDM 3D打印的優(yōu)點(diǎn)一是操作簡(jiǎn)便，僅僅在溫度、層高、速度、壁厚等幾個(gè)方面進(jìn)行簡(jiǎn)單設(shè)置即可；二是材料成本低，適合初學(xué)者操作訓(xùn)練及學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新創(chuàng)意作品3D打印的普及；三是無污染，打印過程沒有氣味、粉塵等有害的物質(zhì)產(chǎn)生，可以安全地運(yùn)用于辦公場(chǎng)所，適合進(jìn)行各種設(shè)計(jì)建模并對(duì)其形狀和功能進(jìn)行測(cè)試。

2 FDM 3D打印的缺陷

FDM 3D打印也有其先天的缺陷，當(dāng)模型上有懸空部位時(shí)，打印的模型的背面會(huì)出現(xiàn)表面疏松、粗糙甚至是掉絲現(xiàn)象，圖1所示為打印模型正面和背面懸空部位的打印質(zhì)量對(duì)比。

圖1 模型正面與背面懸空部位打印效果對(duì)比

圖2 去除支撐產(chǎn)生的瑕疵

另外，當(dāng)模型上有懸空面時(shí)，F(xiàn)DM 3D打印切片軟件都具有自動(dòng)添加支撐的功能，會(huì)在模型懸空部位添加支撐，來保證懸空部分不至于脫落，有支撐的打印面表面粗糙，而且支撐往往和模型粘接在一起，去除較難，還會(huì)在模型上留下瑕疵，如圖2所示。

3 缺陷產(chǎn)生的原因及打印對(duì)比分析

FDM 3D打印是利用了逐層堆疊的原理[3]，上層材料是以下層為基礎(chǔ)和支撐，筆者以0.4mm直徑的常規(guī)熱噴頭為例，層高選擇默認(rèn)值0.2mm，打印豎直面時(shí)，兩層之間的熔絲有重合部位，經(jīng)過熱噴頭的擠壓作用，會(huì)形成如圖3所示的層狀結(jié)構(gòu)。

圖3 豎直面打印

圖4 傾斜面打印

當(dāng)打印面與豎直方向成一定夾角傾斜時(shí)，如圖4所示，在模型的背面，傾斜角越大，上下兩層熔絲間的重合區(qū)域越小，當(dāng)角度大于60°時(shí)，上下層熔絲之間分離，沒有重合區(qū)域，上層熔絲由于得不到下層的支撐而呈現(xiàn)懸空狀態(tài)。

隨著傾斜角度的增大，熔絲間距離增大，熱噴頭的擠壓作用也減小，模型的背面也由于熔絲的稀疏而顯得粗糙，上下層熔絲分離時(shí)，會(huì)出現(xiàn)掉絲現(xiàn)象，為了檢驗(yàn)不同傾斜角的打印模型背面質(zhì)量，分別設(shè)置了不同傾斜角度的平面和回轉(zhuǎn)面模型進(jìn)行打印比較，傾斜面與豎直方向的夾角從45°到 70°變化，間隔為 5°，模型如圖 5 所示，打印質(zhì)量對(duì)比如下表所示。懸空面均采用無支撐打印，打印質(zhì)量對(duì)比如下表所示。

圖5 設(shè)置不同傾斜角度的打印模型

圖6 懸空部位產(chǎn)生支撐情況對(duì)比

表1 不同傾斜角度的懸空面打印質(zhì)量對(duì)比與豎直方向夾角

從打印結(jié)果來看，懸空面與豎直方向成70°和65°夾角時(shí)熔絲已從表面脫落，回轉(zhuǎn)面已產(chǎn)生掉絲現(xiàn)象，平面模型由于兩邊緣的拉力作用，熔絲沒有掉落，但明顯已脫離模型表面而懸空，60°夾角基本沒有產(chǎn)生熔絲脫落現(xiàn)象，但絲線間的間隙較大，表面粗糙，55°夾角時(shí)打印面已基本符合打印質(zhì)量的要求，從 55°夾角到 50°、45°，打印的表面越來越平整、致密，45°夾角表面質(zhì)量最好，我們可以把55°夾角在以內(nèi)的角度稱為優(yōu)化打印角度。

懸空部位的支撐去除時(shí)，由于熔絲的粘連會(huì)產(chǎn)生瑕疵，這也是影響打印模型質(zhì)量的重要因素，筆者設(shè)置了不同尺寸的懸空部位，檢測(cè)打印切片軟件的支撐設(shè)置情況，如圖6所示，從圖中可知，當(dāng)懸空長度在3mm、2mm、1.5mm、1mm時(shí)，軟件都會(huì)自動(dòng)添加支撐，在0.5mm以下是沒有添加支撐。為了避免支撐，將懸空部位添加一個(gè)倒圓角，然后做切片打印，結(jié)果沒有產(chǎn)生支撐，如圖7所示。

懸空部位添加一個(gè)倒圓角后雖然不會(huì)產(chǎn)生支撐，但是由于過渡不平滑，還會(huì)產(chǎn)生熔絲脫落現(xiàn)象，如圖8所示，改進(jìn)的辦法是再添加一個(gè)內(nèi)倒圓角，打印結(jié)果顯示，改進(jìn)后的打印模型過渡平滑。

4 模型的優(yōu)化處理

根據(jù)以上的分析，模型的優(yōu)化處理從幾個(gè)方面入手：第一是減小懸空面與豎直方向的夾角，從而縮小打印缺陷部分的面積。例如，圖9是宇航員模型，模型直立打印時(shí)，手臂和背包下表面是主要的懸空部位，需要添加支撐，由于支撐的高度較大，極易產(chǎn)生打印錯(cuò)誤，優(yōu)化方案是設(shè)置如圖所示的打印基準(zhǔn)平面，用手工的方法添加支撐結(jié)構(gòu)，優(yōu)化結(jié)果：身體的傾斜角度大約是45°左右，背包的角度和身體一致，手臂幾乎成豎直狀態(tài)，這樣一來，模型的軀干、腿部、手臂和背包等主要部分的傾斜度都處于優(yōu)化打印角度55°以內(nèi)，占總表面積的95%左右，打印質(zhì)量?jī)?yōu)良。

第二是在不影響精度和外觀尺寸要求的情況下，利用圓角結(jié)構(gòu)使懸空部位平滑過渡，從而減少打印的支撐部位。例如圖1的建筑物模型的門窗部分有小尺寸的懸空，打印時(shí)需要添加支撐，去除支撐后表面留有瑕疵，將模型懸空部位進(jìn)行如圖8所示的圓角優(yōu)化處理，則無須添加支撐，打印出的模型表面光潔無瑕疵，如圖10所示。

第三是對(duì)于有面積較大的懸空部位的模型，可采用拆分模型的方式分別打印，打印完成再進(jìn)行黏合，如圖11所示。

圖7 懸空部位添加倒圓角后的打印效果

圖8 添加內(nèi)倒圓角后的打印效果對(duì)比

圖9 打印模型的優(yōu)化處理（一）

圖10 打印模型的優(yōu)化處理（二）

圖11 打印模型的拆分

5 結(jié)語

FDM 3D打印由于其逐層堆疊的原理，其懸空部位產(chǎn)生的打印缺陷難以避免，筆者從模型懸空部位的角度和尺寸入手，通過對(duì)比分析和打印測(cè)試確定了易產(chǎn)生打印缺陷的傾斜角度和尺寸，以此為依據(jù)提出了打印模型的優(yōu)化方法，為進(jìn)行FDM 3D打印的模型設(shè)計(jì)提供了參考。