遥控器模型的3D打印工艺优化

周倩 张文平 李庆

摘 要：熔融沉积（FDM）技术是3D打印技术的一个重要发展方向。提高3D打印模型表面质量及其性能最经济合理的方法就是在特定的设备软件和硬件情况下，对于给定的3D打印系统，优化其工艺过程的控制参数。本文基于熔融沉积成型（FDM）工艺，优化了模型摆放方向、打印速度、温度、层厚及支撑等工艺参数，打印的遥控器模型的表面质量比之前未优化的表面质量显著提高。通过后处理，使模型外观达到了使用标准。

关键词：熔融沉积成型工艺 工艺参数

中图分类号：D923.42 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）12（b）-00-02

3D打印技术是由产品的三維CAD模型数据直接驱动，组装（堆积）材料单元而制造出任意复杂且具有使用功能的零件的科学技术[1-2]。3D打印通过逐点成线，逐线成面，叠层累加来制作模型。3D打印的原理决定了其制作的模型不可避免的存在台阶效应，垂直于分层方向力学性能下降等缺陷。

在常规打印中，遥控器模型台阶效应明显，卡口处强度低，本文通过优化FDM熔融沉积成型的打印速度、温度、层厚、挤出流量等工艺参数，得到的遥控器模型比常规打印模型的强度和表面质量都有所提高，通过后处理，使模型外观达到了使用标准。

1 遥控器模型及常规打印存在的问题

为遥控器模型（如图1所示）分为上下盖两部分，其上下表面均为曲率较小的曲面，选择最大投影面方向为切片平面，选取常规打印参数，打印完成后，发现阶梯效应非常明显，遥控器的上表面和下表面的表面质量较差，且薄壁处强度较低，上下盖装配过程中容易断裂（受力方向与分层方向相同），无法满足模型验证使用要求。

2 工艺参数优化

切片软件Cura本身可以自动添加支撑，但支撑类型少，且不能手动修改，故本模型先从快速成型软件Magics中设定好如图2所示的摆放方向，完成支撑添加，将添加好支撑的模型载入Cura切片软件后不再添加支撑。

参数设置包含基本设置、高级设置和额外设置，3D打印工艺参数设置的合理与否直接决定着模型打印质量。

2.1 基本设置

（1）层厚：对于大多数的FDM桌面3D打印机，普通打印质量层厚可选0.2mm，高质量可选0.1mm。增加层厚，打印质量降低，打印速度提升。本模型层厚选取为0.1mm。

（2）壁厚：壁厚过薄，会影响模型打印质量。本模型设定壁厚为1.6mm，模型实际上为实心打印。

（3）底层/顶层厚度：这个参数控制模型底层和顶层的厚度，通过层厚和这个参数计算需打印的实心层的数量，这个数值应该是层厚的倍数。让这个参数接近壁厚，可以让模型强度更均匀。本模型设定为2mm。

（4）打印速度：打印速度的设置要参考很多因素，本模型选用打印速度为50mm/s。

（5）打印温度：本模型打印材料为PLA丝材，打印温度取210℃。

2.2 高级设置

（1）喷嘴孔径：有0.2/0.3/0.4/0.5/0.8mm等不同的尺寸，实际应用较多的是0.4mm，本次打印选用的打印机的喷嘴尺寸为0.4mm。

（2） 回退速度：回退丝的速度，设定较高的速度能达到较好的效果，但是过高的速度可能会导致丝的磨损。本模型设置为40mm/s。

（3）初始层厚：较厚的底部能使材料和打印平台粘附的更好，一般设置比切片厚度有厚一些，本模型设置为0.3mm。

3 模型打印质量分析

遥控器模型打印完成后，去除支撑。遥控器上下盖表面均为曲率较小的曲面，改变摆放方向，减少分层厚度，分层厚度取0.1mm、打印速度取50mm/s、打印温度取210℃。模型的表面质量有较大的提高，尤其是两个重要的外观面，即遥控器的上下表面，台阶效应大大降低了。从力学性能来看，由于改变摆放方向，使装配拆卸过程中，模型的受力方向不再垂直于模型分层方向，提高了模型强度，遥控器模型在装配拆卸过程中未发生断裂。

4 模型后处理

用锉刀和砂纸对模型的凸凹缺陷进行修整，尤其是剥离支撑材料的位置，需要仔细打磨修整。由于本模型分层厚度选用了0.1mm，且通过合理选择摆放方向，减少了遥控器的上下表面的切片所造成的几何误差，模型表面打印质量较高，故不需要对表面进行刮腻子，直接喷漆。后处理完成后的模型如图3所示。

5 结论

选用遥控器实例模型，运用Cura切片软件，通过调整模型摆放方向和优化打印成型工艺参数，对FDM模型成型过程及其成型质量进行了应用研究。

（1）优化了打印速度、温度、层厚及支撑等工艺参数，打印得到的遥控器模型的表面质量比之前未优化的表面质量显著提高。

（2）对FDM模型进行了喷漆后处理，进一步提高了模型表面质量，其外观达到了使用标准。在不附加任何费用的前提下，解决了在常规打印中台阶效应明显的问题。

参考文献

[1] 卢秉恒，李涤尘.增材制造（3D打印）技术发展[J].机械制造与自动化，2013，42（4）：1-4.

[2] 高向阳，袁晓懿.聚焦新工业革命与增材制造[J].现代工业经济和信息化，2013（13）：8-13.

[3] 杨佳歆，邓椅玲，肖丽娟.大学生短期支教志愿服务质量研究[J].才智，2018（5）：64-65.