基于FDM的3D打印多孔結(jié)構(gòu)懸垂面精度優(yōu)化研究

摘" 要：熔融沉積成型（Fused Deposition Modeling，F(xiàn)DM）是3D打印技術(shù)快速發(fā)展和應(yīng)用的典型之一。非水平懸垂結(jié)構(gòu)是復(fù)雜零件中較為典型的結(jié)構(gòu)，其成形缺陷（如翹曲變形、懸垂物、掛渣等）較多，故研究懸垂結(jié)構(gòu)的工藝缺陷，改變和優(yōu)化工藝策略，提高懸垂結(jié)構(gòu)打印的精度和質(zhì)量，對(duì)FDM技術(shù)的大規(guī)模推廣和應(yīng)用具有積極的作用。為了解決打印懸垂結(jié)構(gòu)精度困難的問(wèn)題，匯總了目前常用的幾種解決方法，以提高FDM打印件多孔結(jié)構(gòu)的懸垂面精度。

關(guān)鍵詞：3D打[A1] 印 懸垂結(jié)構(gòu) FDM 精度優(yōu)化 打印方案

Research on Accuracy Optimization of Overhang Surface of 3D Printing Porous Structure Suspension Surface Based on FDM

JIi Fuhua

（Hongyuan Green Energy Co.， Ltd.， Wuxi， Jiangsu Province， 214128 China）

Abstract： Fused Deposition Modeling （FDM） is one of the typical examples of the rapid development and application of 3D printing technology. Non horizontal suspended structures are typical structures in complex parts， with many forming defects （such as warping deformation， suspended objects， slag， etc.）. Therefore， the study research of the process defects of the suspendedoverhanging structure， the change and optimization of the process strategy， and the improvement of the printing accuracy and quality of the suspendedoverhang structure have a positive effect on the large-scale promotion and application of FDM technology. In order to solve the problem of difficult accuracy of printing suspendedoverhang structures， this paper summarizes several commonly used solutions to improve the suspended surface accuracy of porous structures in FDM printed parts.

Key Wwords： 3D printing; Suspendedoverhang structure; FDM; ；Accuracyprecision optimization; Print the scheme

3D打印技術(shù)是一種依托數(shù)字模型文件來(lái)實(shí)現(xiàn)快速成型的先進(jìn)制造技術(shù)。該技術(shù)通過(guò)逐層沉積可塑性材料或金屬粉末等特定介質(zhì)，從而精準(zhǔn)地構(gòu)建三維實(shí)體模型。與傳統(tǒng)的減材制造工藝相比，3D打印技術(shù)具有設(shè)計(jì)靈活性更高、生產(chǎn)速度更快，以及能夠制造復(fù)雜形狀產(chǎn)品等顯著優(yōu)勢(shì)。熔融沉積成型（Fused Deposition Modeling，F(xiàn)DM）桌面級(jí)3D打印機(jī)以其速度快、靈活性高等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛關(guān)注。但是，其有一個(gè)很大的缺陷，那就是打印范圍太小，在打印一些體積比較大的物體時(shí)，通常要將物體3D模型進(jìn)行分割，這樣影響了物體的質(zhì)量。因此，對(duì)打印范圍大的3D打印機(jī)（即工程級(jí)3D打印機(jī)）的研制具有很大的意義[1]。

1" 3D打印的發(fā)展現(xiàn)狀

據(jù)權(quán)威機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，2025年，全球增材制造市場(chǎng)規(guī)模將實(shí)現(xiàn)突破性增長(zhǎng)，其中，航空航天、醫(yī)療健康、高端消費(fèi)品和智能汽車(chē)四大領(lǐng)域?qū)⒊蔀橹饕鲩L(zhǎng)極。具體數(shù)據(jù)顯示，2015—2025年間，全球汽車(chē)行業(yè)3D打印收入將以34%的復(fù)合年均增長(zhǎng)率持續(xù)攀升，垂直醫(yī)療設(shè)備領(lǐng)域也將保持23%的穩(wěn)健增速。如果延續(xù)2020—2029年該增長(zhǎng)趨勢(shì)，那么，預(yù)計(jì)未來(lái)10年全球汽車(chē)行業(yè)3D打印市場(chǎng)價(jià)值將達(dá)991.75億美元，年均貢獻(xiàn)99.18億美元產(chǎn)值；同期垂直醫(yī)療設(shè)備領(lǐng)域市場(chǎng)規(guī)模有望突破480.22億美元，年均產(chǎn)值達(dá)48.02億美元，雙賽道均展現(xiàn)出指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)潛力[2]。

雖然中國(guó)增材制造產(chǎn)業(yè)起步相對(duì)較晚，但經(jīng)過(guò)多年的創(chuàng)新發(fā)展，我國(guó)增材制造技術(shù)體系已實(shí)現(xiàn)與國(guó)際先進(jìn)水平并跑.在政策引導(dǎo)與產(chǎn)業(yè)需求雙重驅(qū)動(dòng)下，中國(guó)3D打印技術(shù)應(yīng)用場(chǎng)景加速拓展，產(chǎn)業(yè)滲透率顯著提升。預(yù)測(cè)至2025年，中國(guó)3D打印市場(chǎng)容量將突破630億元大關(guān)，2021—2025年，復(fù)合增長(zhǎng)率預(yù)計(jì)超20%，展現(xiàn)出強(qiáng)勁的發(fā)展動(dòng)能[3]。

以航空航天領(lǐng)域?yàn)槔?，?jù)專(zhuān)業(yè)機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，2020—2029年，中國(guó)航空制造業(yè)產(chǎn)值將以10%的年均增速擴(kuò)張，十年間市場(chǎng)總規(guī)模預(yù)計(jì)達(dá)9.05萬(wàn)億元。若增材制造技術(shù)在該領(lǐng)域的滲透率提升至1%，則僅航空航天單項(xiàng)應(yīng)用即可創(chuàng)造約905.43億元的市場(chǎng)價(jià)值，年均貢獻(xiàn)超90億元增量空間，充分印證技術(shù)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的巨大潛力[4]。

2" 基于FDM的多孔結(jié)構(gòu)懸垂面精度優(yōu)化研究

基于FDM的3D打印具有“懸垂結(jié)構(gòu)”的零件困難這一現(xiàn)象，這是困擾所有FDM打印工程師的一個(gè)大問(wèn)題：如何打印一個(gè)在沒(méi)有任何直接支撐情況下的斜坡零件（懸垂結(jié)構(gòu)）[5]？當(dāng)打印斜坡的底部時(shí)，隨后的每一層都必須稍微超出前一層，這就引發(fā)了一些問(wèn)題：一些塑料延伸到的空氣中，重力將開(kāi)始將其拉下。45°規(guī)則是理解懸垂打印的最快捷的方法，該規(guī)則認(rèn)為小于或等于45°的斜率可以打印，比45°大的斜率要加支撐。支撐并不是一個(gè)很理想的解決方法，因?yàn)槠鋾?huì)損壞打印件、增加打印時(shí)間并消耗多余的材料消耗，甚至限制可打印的幾何形狀。45°規(guī)則是一個(gè)指導(dǎo)方針。在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)于大多數(shù)現(xiàn)代打印機(jī)來(lái)說(shuō)，它是一種較為“保守”的解決方案。隨著冷卻技術(shù)和切片軟件的改進(jìn)，F(xiàn)DM工程師準(zhǔn)確、干凈地產(chǎn)生陡峭懸垂的能力也在提高。當(dāng)打印一個(gè)太陡的懸垂時(shí)，會(huì)發(fā)生下垂：這是塑料在凝固前被重力“拉下”，人們最終會(huì)得到下垂的結(jié)構(gòu)；卷曲：這是塑料冷卻不足并開(kāi)始向上彎曲的地方。在打印模型時(shí)，打印的某些區(qū)域已經(jīng)卷曲到噴嘴高度以上，打印完成后，會(huì)出現(xiàn)粗糙、不平整的表面[6]。為了解決打印懸垂結(jié)構(gòu)精度困難的問(wèn)題，以下列出幾點(diǎn)解決方法。

2.1采用干燥線材

大多數(shù) FDM 長(zhǎng)絲是吸濕的，這些材料喜歡吸收水分，水分會(huì)對(duì)長(zhǎng)絲造成嚴(yán)重破壞。細(xì)絲作為塑料聚合物，由串在一起的分子鏈制成。水分子會(huì)破壞這些鏈，破壞的塑料在打印時(shí)便會(huì)引起一系列問(wèn)題。特別是對(duì)于懸垂結(jié)構(gòu)，這種被破壞的結(jié)構(gòu)會(huì)加劇下垂的程度，降低表面粗糙度。因而，采用干燥線材可以彌補(bǔ)打印缺陷造成的懸垂面精度問(wèn)題。

2.2降低噴嘴溫度

并非所有材料都在相同的溫度下工作，下垂和卷曲都是由冷卻不足引起的，因此，可以嘗試降低噴嘴溫度。通過(guò)降低溫度，塑料會(huì)更快地固化，從而減少下垂和卷曲 。所以，打印的原則可以概括為：在確保足夠強(qiáng)度的同時(shí)，保持盡可能低的溫度，這會(huì)降低零件表面的粗糙度并提高懸垂質(zhì)量。

2.3降低打印速度

像降低噴嘴溫度一樣，降低打印速度可以提供更多時(shí)間來(lái)冷卻材料 。同時(shí)，較慢的流速可以減輕擠出機(jī)的壓力，從而進(jìn)一步降低噴嘴溫度。如果只有小懸垂受到影響，則可以考慮增加最小層時(shí)間。如果這不起作用，則可以嘗試一次打印多個(gè)模型，讓每一層有更多時(shí)間冷卻。通常，較慢的打印速度會(huì)提高打印質(zhì)量。但打印速度不能太慢，尤其是在小層上，可能會(huì)導(dǎo)致熱噴嘴停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，從而使局部溫度上升 。然而，在某些情況下，提高打印速度是可行的，這可以使材料被拉伸，增加張力，幫助打印件保持其形狀。

2.4加強(qiáng)冷卻

如果使用 100%的風(fēng)扇速度起不到對(duì)物體進(jìn)行固化的作用，則可以考慮更換風(fēng)扇和風(fēng)扇管道。要么選擇使用泵，要么使用能送更多空氣的高功率風(fēng)扇。需要注意的是，如果風(fēng)扇可以在大范圍內(nèi)提供強(qiáng)大的冷卻效果，則可以考慮提高打印速度。與之前的策略相反，這有助于通過(guò)將熱端移開(kāi)來(lái)避免過(guò)熱，讓風(fēng)扇負(fù)責(zé)冷卻塑料。

2.5調(diào)整圖層高度

懸垂是具有挑戰(zhàn)性的，因?yàn)槠鋾?huì)懸掛在空中。這可以通過(guò)降低層高來(lái)減少這種“懸掛”。當(dāng)打印斜坡時(shí)，實(shí)際上是在打印階梯層。在更精細(xì)的層高處，可以使每一層伸出的長(zhǎng)度更少、懸浮較少，下垂的可能性和程度就會(huì)更小。從另一方面考慮，較厚的層會(huì)更加堅(jiān)硬，這就好比一張薄紙與一張厚卡片紙，在3D打印中，較厚的層可以更好地抵抗下垂，即使它們突出的更多。較厚層的另一個(gè)好處是它們有時(shí)可以對(duì)抗卷曲，雖然它們確實(shí)增加了所需的冷卻量，但較厚的層可以幫助“按下”打印件以防止其抬起。最終，建議根據(jù)懸垂的具體形狀與打印的最終目標(biāo)調(diào)整層高，以選定最合適的層高。

2.6調(diào)整設(shè)置

（1）調(diào)整擠壓寬度。較厚的擠壓寬度更難冷卻，但會(huì)增加與下層的重疊。調(diào)整此設(shè)置，以找到一個(gè)最優(yōu)值。（2）優(yōu)化墻壁打印順序。大多數(shù)切片器都允許指定外殼的打印方式。理想情況下，先打印內(nèi)墻，然后再打印外墻，這將幫助懸垂的路徑更合理。（3）增加外殼路徑。通過(guò)增加外殼中的路徑數(shù)量，可以增加每一層之間的重疊，外部路徑也將有更多內(nèi)部路徑可以“保持”。

2.7避免懸垂

（1）考慮懸垂設(shè)計(jì)。用倒角替換圓角或在懸垂下方放置合適結(jié)構(gòu)，以支撐懸垂。對(duì)于水平孔，可以使用“淚珠形狀”，以避免頂部下垂。（2）切換方向。并非所有打印方向都是相同的。根據(jù)零件的具體形狀，改變零件的定位方向，壁面懸垂。（3）拆分模型。有時(shí)復(fù)雜模型的懸垂是不可避免的，這時(shí)可以考慮將其拆分為多個(gè)零件，打印后，只需將這些部分粘在一起即可。（4）使用支撐。如果真的需要支撐，則可以使用可溶解的支撐材料，這些結(jié)構(gòu)可以輕而易舉地被處理掉，不會(huì)影響零件的表面粗糙度。

2.8采用圓形流道熔池

熔池的下垂現(xiàn)象是否明顯主要與流道自身形狀有關(guān)，相比方形流道，原型流道的懸掛面與側(cè)表面直接的結(jié)構(gòu)無(wú)突變且具有緩沖結(jié)構(gòu)，并且下層能夠?yàn)樯蠈悠鸬揭欢ǖ闹巫饔?，懸掛面長(zhǎng)度相較方形流道要短很多，因此懸掛面特征不明顯。

2.9優(yōu)化掃描策略

通過(guò)實(shí)驗(yàn)比較了單向掃描、蛇形掃描、回形掃描等不同掃描策略對(duì)懸垂面成形質(zhì)量的影響，找出最適合懸垂面打印的掃描策略。針對(duì)懸垂面的特點(diǎn)，對(duì)掃描路徑、掃描間距、掃描方向等進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整，以減少懸垂面在打印過(guò)程中的變形和缺陷。

2.10改變加工參數(shù)

相較于粉末粘結(jié)機(jī)理相對(duì)明確的側(cè)表面，懸掛面上的粉末粘結(jié)要復(fù)雜得多。提高或降低激光功率可以改變?nèi)鄢氐男纬珊屠鋮s過(guò)程，進(jìn)而影響懸垂面的成形質(zhì)量。此外，降低鋪粉層厚，可以減少懸垂面的下垂距離，具有良好的熔化效果。

2.11添加支撐結(jié)構(gòu)

盡管內(nèi)置流道懸垂面不適合添加支撐，但在其他類(lèi)型的懸垂面加工中，添加支撐結(jié)構(gòu)可以顯著提高懸垂面的質(zhì)量。以往研究表明，添加支撐的懸垂面形成了更好的微觀組織，提高了耐變形能力和機(jī)械力學(xué)性能；同時(shí)，支撐的存在還可以防止微觀裂紋的產(chǎn)生。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，算法和軟件優(yōu)化在提升懸垂面精度方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。多目標(biāo)優(yōu)化算法通過(guò)尋找最優(yōu)工藝參數(shù)組合，顯著提高懸垂面的精度和平面度；響應(yīng)面法通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型，優(yōu)化工藝參數(shù)，提升加工質(zhì)量；有限元分析和仿真技術(shù)通過(guò)模擬熔池行為和溫度場(chǎng)變化，優(yōu)化掃描策略和工藝參數(shù)，減少懸垂面的下垂和變形；機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能通過(guò)訓(xùn)練模型，自動(dòng)識(shí)別和優(yōu)化工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)智能化控制；自適應(yīng)控制算法通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和動(dòng)態(tài)調(diào)整，確保高精度加工；路徑規(guī)劃算法通過(guò)優(yōu)化掃描路徑，減少能量波動(dòng)，提高加工質(zhì)量；多物理場(chǎng)耦合仿真通過(guò)綜合考慮多個(gè)物理因素，提高模型的預(yù)測(cè)精度；基于云的優(yōu)化平臺(tái)通過(guò)提供強(qiáng)大的計(jì)算資源，快速處理大量數(shù)據(jù)，優(yōu)化工藝參數(shù)；實(shí)時(shí)監(jiān)控與反饋系統(tǒng)通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和調(diào)整，確保加工過(guò)程的穩(wěn)定性和高質(zhì)量。未來(lái)的研究方向應(yīng)聚焦于開(kāi)發(fā)更高效的多目標(biāo)優(yōu)化算法、擴(kuò)展響應(yīng)面法的應(yīng)用范圍、提高有限元分析的精細(xì)化程度、開(kāi)發(fā)實(shí)時(shí)仿真技術(shù)、結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能技術(shù)、提高自適應(yīng)控制算法的魯棒性、開(kāi)發(fā)智能化的路徑規(guī)劃算法、集成多物理場(chǎng)耦合仿真技術(shù)、推廣基于云的優(yōu)化平臺(tái)、開(kāi)發(fā)智能化的實(shí)時(shí)監(jiān)控與反饋系統(tǒng)，以進(jìn)一步提升懸垂面的加工精度和質(zhì)量。

3" 結(jié)語(yǔ)

在本次基于 FDM 的 3D 打印多孔結(jié)構(gòu)懸垂面精度優(yōu)化研究中，本文提出了一系列優(yōu)化策略，針對(duì)材料，本文探索出的改性方案或新型材料配方顯著提升了材料在懸垂打印時(shí)的適應(yīng)性。在打印參數(shù)方面，自適應(yīng)的動(dòng)態(tài)調(diào)整算法確保了噴頭與絲材始終處于最佳工作狀態(tài)，依懸垂情況實(shí)時(shí) “智能” 調(diào)配；在模型設(shè)計(jì)領(lǐng)域，創(chuàng)新性的支撐結(jié)構(gòu)與拓?fù)鋬?yōu)化手段大幅度減輕了懸垂面應(yīng)力集中，降低打印難度。經(jīng)優(yōu)化后，懸垂面的表面粗糙度大幅度降低，尺寸偏差顯著縮小，成型精度達(dá)到了一個(gè)新高度，切實(shí)滿(mǎn)足了諸多領(lǐng)域?qū)Ω呔榷嗫捉Y(jié)構(gòu)的需求。目前，基于 FDM 的 3D 打印多孔結(jié)構(gòu)懸垂面精度優(yōu)化已取得一定成效。但隨著相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展與融合，未來(lái)仍有廣闊的研究空間和巨大的發(fā)展?jié)摿?，有望為各行業(yè)帶來(lái)更多突破性的應(yīng)用成果。

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