桌面式FDM型3D打印機(jī)常見問(wèn)題綜述

岳桂林 蔡小建 顧焱

摘?要：本文分析了工程訓(xùn)練課中3D打印機(jī)常見問(wèn)題出現(xiàn)的原因，對(duì)桌面式FDM型3D打印機(jī)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)逐一研究探討，結(jié)合文獻(xiàn)及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)給出了行之有效的解決方案，對(duì)于設(shè)備的優(yōu)化以及工程訓(xùn)練課教學(xué)質(zhì)量的提高具有重要意義。

關(guān)鍵詞：FDM;3D打印;結(jié)構(gòu)優(yōu)化

Abstract：This paper analyzes the causes of common problems based on 3D printer in engineering training course，studies and discusses the key structures of desktop FDM 3D printer one by one，provides effective solutions based on literature and practical experience，which is of great significance for the optimization of the equipment and the improvement of teaching quality in engineering training course。

Key words：FDM;3D printing;structural optimization

快速成型課程是高校工程訓(xùn)練體系中的重要一環(huán)，對(duì)于學(xué)生綜合能力的提高以及創(chuàng)新意識(shí)的培養(yǎng)具有不可替代的作用。目前應(yīng)用較多的快速成型技術(shù)主要有立體光固化成型技術(shù)（SLA）、分層實(shí)體制造成型技術(shù)（LOM）、激光選擇性燒結(jié)成型技術(shù)（SLS）、三維粉末粘結(jié)技術(shù)（3DP）以及熔融擠壓堆積成型技術(shù)（Fused Deposition Modeling，F(xiàn)DM）。目前江蘇海洋大學(xué)快速成型課程主要采用的是熔融沉積成型技術(shù)，即將絲狀材料加熱至熔融狀態(tài)，從噴嘴擠出沿然后依據(jù)模型切片結(jié)果沿特定路徑逐層成型的技術(shù)。該技術(shù)研發(fā)成本低，材料的利用率高，成型工件表面質(zhì)量好，可以快速構(gòu)建零件。設(shè)備為桌面式3D打印機(jī)，具有輕量化、易操作、安全性高以及學(xué)生上手快等優(yōu)點(diǎn)。但是在打印過(guò)程中，該設(shè)備經(jīng)常容易出現(xiàn)噴頭堵塞、翹邊、工件表面粗糙等問(wèn)題，嚴(yán)重影響了課堂效率以及學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，因此，對(duì)課程中該設(shè)備出現(xiàn)頻率較高的問(wèn)題進(jìn)行分析歸納，探討行之有效的解決方案具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 問(wèn)題分析

FDM打印技術(shù)是通過(guò)熱熔機(jī)構(gòu)將絲狀材料加熱，送絲機(jī)構(gòu)將絲材送至噴頭，噴頭沿零件截面輪廓和填充軌跡運(yùn)動(dòng)，同時(shí)將熔融狀態(tài)的材料按照CAD分層數(shù)據(jù)控制的掃描路徑擠出并沉積在指定的位置凝固，逐層堆積成型的技術(shù)[1]。其示意圖如左圖所示。其主要結(jié)構(gòu)包括控制主板、送絲機(jī)構(gòu)、熱熔機(jī)構(gòu)、噴頭、工作平臺(tái)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和散熱結(jié)構(gòu)幾個(gè)方面。由于在打印過(guò)程中鮮少出現(xiàn)控制或傳動(dòng)方面的問(wèn)題，因此，本文結(jié)合工程訓(xùn)練課中出現(xiàn)頻率較高的問(wèn)題，著重從送絲機(jī)構(gòu)、熱熔機(jī)構(gòu)、噴頭和打印平臺(tái)四個(gè)方面探討了該3D打印機(jī)常出現(xiàn)的問(wèn)題以及其癥結(jié)所在。

1.1 送絲機(jī)構(gòu)

其主要負(fù)責(zé)絲材的進(jìn)退。在本設(shè)備中，送絲機(jī)構(gòu)如左圖中虛線方框所示，步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)左側(cè)主動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)，右側(cè)從動(dòng)輪輔助絲材從中間擠出。由于兩側(cè)轉(zhuǎn)輪之間的空隙而不可調(diào)節(jié)，因此對(duì)絲材的直徑要求較高，當(dāng)絲材直徑發(fā)生變化時(shí)，會(huì)在該縫隙處卡死，影響送絲，故對(duì)材料的通用性低，對(duì)絲材質(zhì)量要求較高。同時(shí)，當(dāng)打印機(jī)使用時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，從動(dòng)輪會(huì)發(fā)生磨耗，從而導(dǎo)致中間縫隙增加以致進(jìn)絲時(shí)打滑或者是絲材在輪間晃動(dòng)，噴嘴處進(jìn)料量不穩(wěn)定，從而導(dǎo)致打印模型表面精度降低。因此很多學(xué)者優(yōu)化3D打印設(shè)備時(shí)會(huì)對(duì)其送絲機(jī)構(gòu)進(jìn)行改造。例如考慮到對(duì)于絲材而言，主動(dòng)輪和從動(dòng)輪通過(guò)擠壓絲材產(chǎn)生摩擦力來(lái)實(shí)現(xiàn)送絲，那在從動(dòng)輪的固定側(cè)增加彈簧夾緊機(jī)構(gòu)，通過(guò)彈簧的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)絲材壓力的調(diào)整，首先可以有效保證從動(dòng)輪對(duì)絲材的夾緊以防止出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，其次可以提高該設(shè)備對(duì)不同直徑材料的通用性。有些學(xué)者從主動(dòng)輪的設(shè)計(jì)著手，將主動(dòng)輪的直線輪更改為V型輪，從而實(shí)現(xiàn)主動(dòng)輪對(duì)絲材的壓力控制，提高送絲驅(qū)動(dòng)力的穩(wěn)定性[2]。

1.2 熱熔機(jī)構(gòu)

熱熔機(jī)構(gòu)主要負(fù)責(zé)絲材的加熱。熱熔機(jī)構(gòu)由加熱棒、測(cè)溫電偶和加熱塊組成。加熱棒充當(dāng)熱源角色，測(cè)溫電偶為反饋調(diào)控角色，加熱塊起傳熱作用。加熱溫度主要影響絲材擠出過(guò)程中的粘度。溫度過(guò)低，會(huì)導(dǎo)致擠出速度變慢，導(dǎo)致噴頭擠出壓力增加，甚至堵塞噴頭;若溫度過(guò)高，絲材過(guò)軟，不利于擠出，甚至導(dǎo)致絲材碳化，依然容易引起噴頭堵塞。因此熱熔機(jī)構(gòu)中需要注意的是根據(jù)不同絲材進(jìn)行合適的溫度設(shè)定。對(duì)于加熱塊材質(zhì)的選擇也在工程訓(xùn)練課中，均采用低熔點(diǎn)樹脂，一般為ABS和PLA材料等低熔點(diǎn)單一聚合物。其中ABS材料的性能較為穩(wěn)定，超過(guò)240℃時(shí)容易分解，一般設(shè)置的加熱溫度控制在230℃左右。但PLA材料熔點(diǎn)較低，高溫熔融時(shí)易附著，容易在噴頭處殘留，加熱溫度設(shè)置為200℃左右。熱熔機(jī)構(gòu)在打印過(guò)程中不易損壞，產(chǎn)生問(wèn)題主要是由于加熱溫度設(shè)置與絲材不匹配造成，因此針對(duì)不同材料，應(yīng)該合理設(shè)置加熱溫度。加熱塊能夠有效傳遞熱量也是保證熱熔機(jī)構(gòu)正常工作的重要一環(huán)。為了保證熱傳導(dǎo)效果，加熱塊必須與噴嘴的外表面充分接觸。在本訓(xùn)練課的設(shè)備中，因?yàn)閲娮斓耐獗砻鏋閳A柱面，加熱塊為正方體，中間開圓孔，噴頭直接插入，從而與加熱塊連接在一起，但隨著使用時(shí)間增加，由于噴頭熱脹冷縮以及外表面氧化的作用，加熱塊與噴頭之間的縫隙會(huì)增加，從而無(wú)法有效實(shí)現(xiàn)熱量的傳導(dǎo)，影響絲材的熔化。對(duì)于該結(jié)構(gòu)部分設(shè)備嘗試將加熱塊與熱熔噴頭以螺紋連接的方式連接在一起，以保證熱量的有效傳遞。也有一些產(chǎn)品通過(guò)利用在加熱塊外側(cè)增加鎖緊結(jié)構(gòu)，以保證與噴嘴外層的無(wú)間隔接觸，導(dǎo)熱過(guò)程穩(wěn)定[3]。

1.3 噴頭

噴頭負(fù)責(zé)將熱熔結(jié)構(gòu)加熱的絲材順滑擠出至打印平臺(tái)，從而實(shí)現(xiàn)堆積成型。其中噴嘴直徑大小對(duì)模型成型精度有重要影響，噴嘴直徑越小，擠出的絲材越細(xì)，成型時(shí)精度越高。但噴嘴直接過(guò)小時(shí)，噴射出來(lái)的熔融絲材過(guò)細(xì)，打印過(guò)程中易產(chǎn)生斷絲且易堵塞。但噴嘴直徑過(guò)大，打印工件表面粗糙且易變形，無(wú)法保證表面精度。因此，噴嘴直徑應(yīng)根據(jù)工件需求選擇合理的大小。部分研究學(xué)者還對(duì)噴嘴的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，例如噴嘴前端延長(zhǎng)，增大熔融材料向下運(yùn)動(dòng)時(shí)的阻力，保障絲材順利擠出的同時(shí)改善拉絲現(xiàn)象[4]。有的學(xué)者將噴頭改為螺旋擠壓結(jié)構(gòu)，通過(guò)理論計(jì)算以及實(shí)驗(yàn)證明了螺旋擠壓噴頭對(duì)于出絲速度以及穩(wěn)定性有較大提高，打印機(jī)的工作效率可以提高5-10倍。有的學(xué)者對(duì)噴頭的材料進(jìn)行改進(jìn)，對(duì)于噴頭不僅要求較高的導(dǎo)熱性能同時(shí)對(duì)保溫性能與抗氧化性能也有一定要求，通過(guò)在噴頭外側(cè)涂抹保溫層，以減少噴頭的散熱和氧化。由于一般打印材料為高聚物，加熱溫度較高時(shí)易在噴嘴部位殘留累積，當(dāng)打印機(jī)使用較長(zhǎng)時(shí)間后，噴嘴部位易積碳堵塞，因此需要定期對(duì)其進(jìn)行清理，以保障噴嘴的通暢。

1.4 打印平臺(tái)

打印平臺(tái)用于X-Y方向驅(qū)動(dòng)以及承接噴頭擠出的材料在其上面的堆積成型。部分同學(xué)打印時(shí)會(huì)出現(xiàn)工件從打印平臺(tái)脫離的現(xiàn)象，也就是翹邊，導(dǎo)致后續(xù)無(wú)法正常打印。出現(xiàn)這一問(wèn)題的主要原因有三個(gè)：（1）打印時(shí)噴頭與平臺(tái)之間距離過(guò)大，導(dǎo)致打印第一層時(shí)，熔融的材料無(wú)法更好地與平臺(tái)結(jié)合再一起，此時(shí)需手動(dòng)調(diào)整打印機(jī)噴嘴位置以及打印平臺(tái)的水平調(diào)節(jié)螺母，縮短噴頭與平臺(tái)的距離，確保距離合適，從而提高工件基底與平臺(tái)之間的結(jié)合能力，但不可距離過(guò)小，距離過(guò)小會(huì)導(dǎo)致材料在打印平臺(tái)過(guò)度堆積，工件底部粗糙且難以從打印平臺(tái)剝離。（2）打印平臺(tái)溫度過(guò)低。當(dāng)外界溫度較低或者是打印平臺(tái)溫度設(shè)置不合理時(shí)，會(huì)導(dǎo)致噴頭擠出的熔融液體接觸到打印平臺(tái)時(shí)冷卻過(guò)快，從而導(dǎo)致黏結(jié)力不夠，后期模型打印過(guò)程中，隨著打印層數(shù)的增加，材料固化程度增加，由于冷卻收縮作用導(dǎo)致收縮力量加大，從而使得與打印平臺(tái)結(jié)合力本就薄弱的工件從打印平臺(tái)剝離。此時(shí)需提高打印平臺(tái)溫度，同時(shí)保證打印室溫度不可過(guò)低。（3）打印平臺(tái)使用時(shí)間過(guò)久，表面黏結(jié)力度不夠，此時(shí)可以在打印平臺(tái)粘貼耐高溫貼紙從而提高工件與打印平臺(tái)的黏結(jié)力度。

2 結(jié)語(yǔ)與展望

本文詳細(xì)分析總結(jié)了目前快速成型課程中3D打印設(shè)備出現(xiàn)頻率較高的問(wèn)題，同時(shí)結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)參閱文獻(xiàn)給予了一定的整改意見，對(duì)于該課程教學(xué)質(zhì)量的提高起到積極作用。但是隨著科技的發(fā)展，3D打印技術(shù)也日益突飛猛進(jìn)，無(wú)論在日常生活還是科研工作等方面都與人們聯(lián)系越來(lái)越密切，學(xué)生對(duì)于快速成型技術(shù)的需求也日新月異，因此，目前的桌面式FDM型3D打印機(jī)已經(jīng)不能滿足學(xué)生工程訓(xùn)練課的需求，光固化型3D打印機(jī)、SLS型3D打印機(jī)等不同成型方式的打印技術(shù)亦應(yīng)在該課程中不斷引進(jìn)，優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，切實(shí)提高學(xué)生的創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力。

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基金項(xiàng)目：省級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目“3D打印機(jī)的改裝及性能優(yōu)化”（201811641115X）

作者簡(jiǎn)介：岳桂林（1987—），女，漢族，河南新鄉(xiāng)人，碩士研究生，講師，主要研究方向：材料加工。