3D打印成型工艺与质量分析

盛宗建 黄亚 宋凤莲

摘要：3D打印技术与传统加工技术相比有巨大的优势，也有一定的局限性。为提高成型质量，以 FDM技术工艺为例，分析了FDM技术成型质量的影响因素：工艺参数如支撑角与密封角，成型基准面的设置及模型的后处理。提出了提高FDM技术工艺成型质量的方法，为3D打印成型质量奠定基础。

关键词：3D打印技术；FDM技术工艺；成型质量；影响因素

Analysis on of 3D Printing Technology and quality

Sheng ZongjianHuang YaSong Fenglian

Wuhan University Engineering training and Innovation practice CenterHubeiWuhan430072

Abstract：3D printing technology has great advantages and limitations compared with traditional processing technology.In order to improve the quality of the molding and take FDM technology as an example，the influencing factors of the forming quality of FDM technology are analyzed：process parameters such as support angle and sealing angle，setting of molding datum surface and post processing of model.The improvement of FDM technology is put forward.The method of molding quality lays the foundation for the quality of 3D printing.

Key words：3D printing technology FDM technology；molding quality；influencing factors

1 概述

3D打印技术是以机械技术、数字技术、材料技术和信息控制技术为依托，只需三维数字模型，便能制造出任意复杂结构零部件的快速成型技术。其最突出优点是不需要任何刀具和模具，便能利用3D打印设备进行零件的三维成型。

3D打印技术目前有七种成型工艺，分别是熔融沉积成型工艺（FDM）、箔材粘结成型工艺（LOM）、粉末烧结成型工艺（SLS）、光固化成型工艺（SLA）、粘结喷射成型工艺（3DP）、材料喷射成型工艺和定向能量沉积成型工艺。[1～3]FDM工艺，因成型过程无毒无味，操作环境干净，在教育、文创、建筑及医疗领域中应用广泛。

FDM技术成型工艺过程如图1所示，由设计CAD三维模型、三维模型的近似处理、STL文件的分层处理、造型工艺参数设置及后处理构成。FDM设備成型原理是利用工程塑料在喷头中被加热融化，熔融材料从喷头底部的喷嘴中挤出，在计算机控制下，喷头挤出材料并沿零件截面轮廓运动，同时与上一层挤出的材料粘接并在空气中迅速固化，如此循环便可形成实体零件。[4]

2 FDM技术成型工艺与质量分析

3D打印成型件的质量一直是FDM技术的关键所在，在整个零件三维成型过程中，针对各个成型工艺参数对成型质量的影响进行分析。

2.1 工艺参数设置

影响FDM成型质量的工艺参数有很多，如：填充速度、填充率、层厚、打印温度、平台温度、喷嘴直径、打印速度等工艺参数，其中打印温度、打印速度及层厚是决定成型精度的三个关键要素，三要素之间的合理匹配是获得高精度成型件的关键。需要指出的是，打印温度是指喷头的加热温度，是决定喷头能否顺利挤出的非常关键参数。基于FDM成型材料的不同物理性能，喷头温度必须保持稍高于成型材料的融化温度，确保成型材料达到时顺利熔化。

2.1.1 支撑角度与成型角度设置

支撑角度是指支撑面法线方向与成型方向之间的夹角（一般为10°～80°）；密封角是指密封面法线方向与成型方向之间的夹角（一般为30°～60°）。支撑角与密封角如图2所示。[5]

密封角度设为45°，支撑角度设定为60°和30°，成型仿真模型如图3所示。

支撑角为60°时，支撑区大于模型底部密封区，支撑对模型底部密封层及侧面密封层起支撑和保温作用，防止了模型出现凹陷。模型底部表面密封层平整，支撑稳固。支撑角为30°时，支撑区小于模型底部密封区，使得打印支撑区边缘对应的底部密封表面打印时收缩，模型底部表面密封层可能存在凹凸不平整及支撑区边缘出现凹陷。工艺参数与技术经济性见表1。

由上表可知支撑角越大，打印模型消耗的材料多，打印效率低。在打印质量要求不是很高的情况下可以适当减小支撑角，以降低成本，提高效率。

2.1.2 成型基准面的选择

成型基准面的选择好坏直接影响到模型的打印质量和打印效率以及制造成本。以下是一个多面体的模型有A、B、C三个平面，如图4所示。这三个平面都可以作为模型的基准打印平面，如图5所示。

对于同一个模型在密封角和分层厚度一定的情况下，不同的支撑角，不相同的成型基准面打印出模型效率和耗材各不相同，如表2所示。

由上表可以看出，要想获得低材耗、高效率、高质量的打印模型，需要合理选择支撑角度和成型基准面。

2.2 后处理

3D打印完成以后还需要进行相应的后处理工序。常用物理法和化学法。物理方法一般包含：对支撑结构的机械剥离如图6所示，对成型件进行表面处理如打磨、抛光、修补；化学法是用一些有机溶剂与成型材料进行有机反应，生成表面光洁度较高的另一种物质，能够改善FDM工艺成型件的表面质量差的问题。现在比较成熟的FDM成型材料主要是工程塑料PLA和ABS。对于ABS材料，一般用丙酮蒸汽熏蒸，通过控制反应的时间来改善其表面质量。而PLA材料则是使用氯仿溶液浸泡的方法，处理过程中需要严格控制浸泡时间的长短，以取得满意效果。无论是采用化学法还是物理法都会带来一些新的尺寸误差，这些误差会严重影响成型件的尺寸精度，这也是不可忽略的。[67]

图6 处理前模型（a）处理后模型（b）

3 提高FDM技术成型质量的方法

鉴于FDM过程中各阶段的误差对制件成型质量的影响，提高制件成型质量是FDM技术必然需求。在模型处理前期，采用对CAD实体模型直接进行切片的方法消除因STL文件格式所导致的截面轮廓线误差以得到精确完整的实体截面轮廓线。改进切片算法，优化切片过程，消除因切片可能导致轮廓线不清、轮廓冗余等问题。在构造模型时尽可能地避开斜面的设计。

（1）设置合适的分层厚度以减少台阶效应。优化工艺参数，针对制件形状、大小等不同，得到不同的工艺参数以更好地提高成型件的质量和精度。

（2）注意模型在切片时的摆放方向和位置，优化结构，避免过多的支撑，提高成型质量，同时提高构件的成型效率。

（3）选择合适后处理工艺，防止刮伤工件，以保证制件的精度。

4 结语

FDM技术因工艺环保且成本低廉，将随着3D打印的发展应用领域日益拓宽。影响FDM技术3D成型质量的因素很多，其影响又是多方面的，只有将合理匹配的工艺参数与成型材料进行统筹考虑，才能整体提高3D成型件的质量。

参考文献：

[1]曹明元.3D打印快速成型技术[M].机械工业出版社，2017.

[2]王运赣，王宣.3D打印技术[M].武汉：华中科技大学出版杜，2014.

[3]刘记.STL文件纠错及IGES文件转换为STL的算法研究[D].武汉：华中科技大学，2006.

[4]郭字鹏，李玉新.FDM技术原理特点及成型质量分析[J].科技视界，2016，26.

[5]高善平.FDM快速成型精度及其影响因素分析[J].机电信息，2015（36）：9798.

[6]王涛，候巧红，苏玉珍，等.FDM制品精度的影响因素分析[J].科技信息，2012.

[7]李华雄，李大成，冯安平.基于3D打印零件精度及质量控制方法研究Ⅲ.科技经济导刊，2016（9）：7071.