FDM打印的表面质量问题及改善措施

孙春华

(苏州市职业大学 机电工程学院，江苏 苏州 215104)

由于熔融沉积成形(fused deposition modeling，FDM)工艺简单、操作简便、环境干净、材料利用率高，且无需激光系统，成本低廉，可采用ABS、PLA、尼龙等材料，在现有市场3D打印机中，FDM是最常见的3D打印工艺[1]。如RepRap、Ultimaker、MakerBot等都拥有这种工艺的3D打印机。

FDM成形时，固态的热塑性粗线材被送料机构送到加热喷头内进行加热融化，将其转化为液态。液态的塑性材料再通过喷嘴的小孔流出。在常温下，从喷嘴小孔出来的液态材料转化为固态的细丝。在数控系统的控制下，喷头按照截面轮廓和填充轨迹信息，将固态的细丝涂覆在工作台上，形成一层截面，当工作台下降后，又进行新一层截面的成形，如此反复，即形成了一个三维打印件[2]，如图1所示。形象地讲，FDM的成形就像蚕吐丝或挤牙膏。但这看似简单的成形过程，却常因为加工中出现的问题，困扰着操作者。因此，本研究分析了FDM打印中常出现的质量问题，并提出改善的措施。

图1 FDM成形过程

1 STL模型错误及检验修复

STL文件作为增材制造行业的“准工业标准”被普遍接受。因此，无论是通过扫描数据重构出产品模型，还是通过设计获得一个CAD模型后，将该模型保存为STL文件，就可用于下一步3D打印的分层数据处理。

在进行3D打印之前，为了获得良好的表面质量，确保打印成功在进行分层数据处理之前需要检查一下STL文件是否存在错误。STL文件常见的错误有：法线反向、存在孔洞。如果不纠正这些错误的话，就会造成分层后出现不封闭的环或歧义现象。这些错误的检验和修复，可使用Netfabb、Magics等软件进行处理。下面以Netfabb软件为例，讲述如何修改STL文件中经常出现的错误问题[5]。

在Netfabb软件的工具栏中有分析、修复等按钮。分析按钮可以提供关于3D模型的详细统计信息，如是否存在孔洞、翻转的三角面或者错误的边等。若点击分析按钮，模型的绝大部分都被标为红色，则可能是法线指向错误所导致的。这会使得3D打印机无法判断出模型的内外部。解决的办法很简单，只需先用鼠标选择好模型，再选择菜单“Part”内的“Inverse part”命令，即可将模型的法线进行翻转，朝向正确的方向。若在出现的窗口中，通过分析后，在模型当前的统计信息中，显示出模型的孔洞数目较多时，只需点击界面左下角的“Automatic repair”按钮，就可以进行自动修复的预览。预览后，当3D模型的统计信息栏中显示修复后的孔洞数目为“0”时，点击界面右下角的“Apply repair”按钮，即可完成真正的错误修复。将通过法线翻转、孔洞修复后的3D模型输出为“STL”文件，就可大大减少3D打印时出现问题。

2 打印件的表面质量

2.1 表面的“阶梯”层效应

采用FDM工艺打印出来的产品，都有一个很难解决的问题，那就是产品的表面都会显示出一些类似“阶梯”的层效应。这些“阶梯”是3D打印成形的原理性误差，只能减小，却不可消除。“阶梯”层效应，除了影响表面质量外，还会影响零件的结构强度[4]。

减小“阶梯”层效应的方法有设置小的层高、改变成形方向。在Miracle 3D软件[6]中通过修改“层高”参数值，很容易实现减小层高的目的。可将普通质量打印时的层高值“0.2”修改为高质量打印时的“0.1”。一般情况下，层高越小，表面的“阶梯”层效应越不明显，表面质量越高。

但如果在打印时，模型曲率较大的表面与工作台相平行的话，则通过减小层高来改变“阶梯”层效应的作用不是很明显。此时，需要通过改变模型的成形方向来实现减小层效应的目的。图2为某牛角的模型图。第一次打印时，所设置的成形方向与底面大致平行，此时模型曲率大的部位基本与工作台平行。成形后此处的阶梯效应特别明显。第二次打印时，将模型绕着水平面的X轴旋转了45 ℃，使曲率大的部位与工作台基本成垂直状。两种情况下的3D打印结果见表1。通过比较两种情况下3D打印的结果(为拍摄稳定，没有除掉3D打印件的支撑)，可清晰看到，第二种情况下，成形表面的“阶梯”层效应明显减小，表面质量明显改善，且打印件的强度明显提高。

图2 牛角数字模型图

2.2 打印件表面出现胡须状

打印的圆明园十二兽首之一的牛头表面出现很多胡须状丝，见图3。分析造成该问题的因素主要是由于所设定的喷头温度过高，且打印时喷头的移动速度慢，再加上“回退时Z轴回退抬起(mm)”较高，导致了熔化的材料不能及时涂覆到新层面上引起的。因此，将原来的“喷头温度(℃)”由“215”修改为“190”，“移动速度mm/s”由“65”修改为“120”；而“回退时Z轴回退抬起(mm)”的数值由原来的“0.2”降低为“0.05”。采用修改后的工艺参数值进行FDM成形，所打印出的构件很好地消除了胡须状吐丝的现象，成形质量较好，如图4所示。

表1 成形方向对表面“阶梯”层效应的影响

图3 表面产生的胡须丝

图4 参数修改后消除胡须丝

2.3 基底支撑翘曲变形

采用FDM成形工艺进行3D打印时，经常会遇到基底支撑翘曲变形的问题。基底支撑翘曲变形主要发生在堆积的最初几层，随着堆积层数的增加，新堆积层引起翘曲变形的程度逐渐减小，甚至消失。因为基底支撑的翘曲，不仅影响到打印件的表面质量，还影响到成形后的尺寸精度。因此，基底支撑翘曲问题是一个亟待解决的关键问题。

产生翘曲变形的主要因素有：工作台不平整、工作台温度过低、基底支撑不合适。前两个问题比较好解决，通过调整工作台的平整度、工作台预热来消除。一般的3D打印设备亦提供了相应的功能。

要解决基底支撑不合适这个问题，首先要了解基底支撑是如何生成的。所谓基底支撑是3D打印件在成形时，在打印件与工作台之间，有几层形状类似包络零件模型在XOY平面(工作台的平行面)上的投影区域，但比投影区域大的部分。根据不同的分层数据处理软件所加的宽度不同。如采用Simplify3D软件进行处理时，一般宽出1 mm；采用UP 3D软件时，则宽出4-6线宽，即1.6-2.4 mm(以0.4 mm的喷嘴直径计)。因此，基底支撑不合适与模型摆放的位置及方向有关，即模型的成形方向有关。

图5所示的汤勺在3D打印过程中基底产生了较为严重的翘曲。模型的头部和尾部在层高方向上的翘曲量分别达到了5 mm和2 mm。由于变形严重，模型没有做完就停止了打印。

FDM成形时，收缩不均匀很容易导致塑料件的翘曲变形。该汤勺在打印过程中，为了避免勺子部位的内外面产生支撑，影响美观，采取了侧向放置。这样，整个支撑在工作台上的投影面就为一个细长的形状，如图6所示。因此，在进行层打印时，长轴方向两头的凝固时间相差很大，在模型的内部产生了较大的拉应力。且由于倾斜放置，勺柄的成形早于勺子的成形，支撑翘曲对勺柄的影响明显大于勺子部分。因此，产生了上述的后果。

图5 3D打印汤勺成形件在层高方向的翘曲变形

图6 3D打印时汤勺的基底支撑

为了改善基底支撑的翘曲，主要采取了改变成形方向的措施。调整时，将汤勺的勺部朝下，并将模型朝Z向立起，以减少在工作台的投影面积，且采用手工添加/删除支撑的方式，减少了部分支撑，以便减少同一高度上的成形时间，缩小前后温差。图7为重新放置后添加支撑的示意图。打印出来的实物见图8。可以看到，通过改善支撑投影面的形状，使每层材料的收缩均匀，从而消除内部拉应力，有效地避免了基底支撑的翘曲。打印出来的实物无变形，符合要求。

图7 重新放置后的模型及支撑

图8 3D打印的汤勺(带支撑的打印件、支撑、汤勺)

除了改变成形方向外，还可以采取以下的手段控制基底支撑的翘曲：

1) 降低层高，可以减少新增打印层的冷却时间，缩小新增层底部与顶部间温差，减少收缩的不均匀。

2) 加大打印速度，可以减少在同一水平高度上长轴方向不同部位的温差，消除不同部位间的收缩不均匀。

3) 减少内部填充密度，可以减少模型内部的填充时间，减少了模型主体区域的打印时间，并加快了模型主体的冷却凝固时间，使收缩均匀。

3 结论

本研究就3D打印过程中常遇到的表面质量问题，从分析产生问题的原因入手，提出了改善措施。通过分析和实验可知，虽然影响表面质量的因素很多，包括STL文件的错误、层高、打印速度等，然而成形方向是影响3D打印件表面质量的一个重要因素，对表面质量的影响最大。在进行FDM成形时，一定要根据具体的模型形状选择合理的成形方向。