熔融沉积快速成型3D打印精度影响因素的研究

摘  要：打印精度是熔融沉积快速成型3D打印普遍关注的问题，以聚乳酸材质的长方形制件为例，研究了底部/顶部厚度、填充密度和摆放位置对打印制件尺寸精度的影响。研究结果表明打印后制件产生收缩，其收缩具有一定的方向性，沿打印机X方向收缩量最小。根据实验数据拟合出的长度尺寸、宽度尺寸和高度尺寸的算式，对快速获得正确的零件尺寸具有一定的指导意义。

关键词：FDM;工艺参数;打印精度

中图分类号：TH164      文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2020）22-0133-03

Research on the Influencing Factors of FDM 3D Dot Per Inch

ZHOU Changxiu

（Shandong Labor Vocational and Technical College，Jinan  250022，China）

Abstract：DPI is a common concern in 3D printing of FDM. Taking the rectangular part made of PLA as an example，the effects of bottom or top thickness，filling density and placement position on the dimensional accuracy of the printed part were studied. The research results show that the parts shrink after printing，and the shrinkage has a certain directionality，and the shrinkage is the smallest along the X direction of the printer. According to the experimental data，the formulas of length dimension，width dimension and height dimension are fitted，which has a certain guiding significance to quickly obtain the correct part dimension.

Keywords：FDM;technological parameter;DPI

0  引  言

熔融沉积快速成型（Fused Deposition Modelling，FDM）是将具有热熔性的丝状材料加热至熔化状态，通过喷嘴依模型轮廓喷挤在工作台上，逐层累积，直至完成整个工件的打印的一种技术。熔融沉积快速成型具有使用材料便宜、设备维护及运营成本低、占用空间小、保护环境和工件成型快等优点，目前得到了十分广泛的应用，是3D打印技术中最具发展前景的成型技术之一[1]。但是在成型过程中也容易出现打印件表面粗糙、表面翘曲等质量问题[2]，这些问题均直接影响了打印精度。经过研究发现打印精度直接受打印参数的影响，为此业界在打印工艺参数、切片参数、扫描速度等方面做了系统研究[3-8]。Galantucci等[9]分析了层高、打印速度等工艺参数对制品表面粗糙度的影响;陈金英[10]的研究结果表明模型转化为STL格式时，底层参数、模型壁厚、水密性对制件打印质量有较明显的影响;韩江[11]、杨继全[12]等使用正交试验法，选择出最优的参数配比，实现了打印参数的优化。本文以试验的方式，对熔融沉积快速成型的精度影响因素进行了研究。

本文使用FDM桌面3D打印机制备同样材料，同等尺寸，不同实验参数的样件，根据样件在长、宽、高方向尺寸及收缩量的实验结果，分析3D打印机参数对制件精度的影响。为3D打印课程的教学积累了数据和经验，这对于教学中快速获得打印后正确的零件尺寸具有一定的指导意义。

1  试验方法

1.1  试验设备

本试验使用陕西恒通智能机器有限公司生产的FDM型桌面3D打印机。该设备主要由工作台、0.4 mm喷嘴、控制面板和控制系统等组成。当面对操作面板时其左右方向定义为X轴，前后方向为Y轴，上下方向为Z轴。打印文件可通过U盘或内存卡拷贝打印，操作简单，打印精度高。

1.2  試验材料

本实验采用直径1.75 mm的聚乳酸（PLA）丝材作为材料。

1.3  试验模型

建立尺寸为30 mm×20 mm×10 mm的长方形，得到STL格式模型，如图1所示。

2  工艺参数设置

2.1  底部/顶部厚度设置

在其他参数相同条件下，对模型进行底部/顶部参数设置，本试验第一组至第七组的不同底部/顶部厚度分别设为0.2 mm、0.3 mm、0.4 mm、0.5 mm、0.6 mm、0.7 mm、

0.8 mm。

2.2  填充密度设置

在其他参数相同条件下，对模型进行填充密度设置，本试验第一组至第六组的不同填充密度分别设为0、20%、40%、60%、80%、100%，参数设置界面如图2所示。

2.3  摆放位置设置

在其他参数相同条件下，对模型进行摆放位置设置，本试验第一组至第三组的不同摆放位置分别设为30 mm×20 mm

为底面（横）、30 mm×10 mm为底面（立）、20 mm×10 mm

为底面（竖），如图3所示。

3  结果与分析

将打印文件使用U盘传输到打印机中完成打印。打印完成后使用千分尺测量制件在长度、宽度和高度方向的尺寸，为了保证测量的准确性和全面性，使用千分尺多次测量制件在长度方向、宽度方向和高度方向的尺寸取平均值。为了避免测量时基准不统一造成的误差，尺寸测量中先以打印时Z轴方向远离工作台的平面为基准，再以相邻的两边为另外的两测量基准。研究不同工艺参数对打印件的外形尺寸的影响。如表1所示，收缩量的负值表示制件尺寸的增加量，表明制件未产生收缩。

表1  不同底部/顶部厚度制件尺寸

如表所示，制件在长度方向误差最小，宽度方向误差最大，说明不同打印方向，制件的收缩不同，制件的收缩存在方向性。高度方向上第一组到第三组尺寸值相差较大，这是由于顶部填充层数较少产生凹凸不平的表面所致;第四组到第七组高度方向尺寸值趋于稳定，表明底部/顶部厚度大于等于0.4 mm不再产生凹凸不平的表面。

对底部/顶部厚度为0.2 mm、0.3 mm、0.4 mm、0.5 mm、

0.6 mm、0.7 mm、0.8 mm的制件宽度、高度和长度进行线性拟合，得到制件长度fL（t）、制件宽度fW（t）和制件高度fH（t）拟合算式为：

式中，t为底部/顶部厚度。当底部/顶部厚度为0.4 mm

时，式（1）得到的制件长度值为30.00 mm，实际测量得到的长度值为29.98 mm，实测长度值为计算长度值的99.9%，式（2）得到的宽度值为19.64 mm，实际测量得到的长度值为19.62 mm，实测长度值为计算长度值的99.9%，式（3）得到的高度值为9.87 mm，实际测量得到高度值为9.86 mm，实测长度值为计算长度值的99.9%。实验数据如表2所示。

制件在长度、宽度和高度方向的收缩量不同，长度方向收缩量最小，误差最小。同时，填充密度对制件收缩的方向性的具有一定的影响。

对填充密度为0、20%、40%、60%、80%、100%的制件宽度、高度和长度进行线性拟合，得到制件长度fL（a）、制件宽度fW（a）和制件高度fH（a）拟合算式为：

式中，a为填充密度。当填充密度为40%时，式（4）得到的制件长度值为29.98 mm，实际测量得到的长度值为29.98 mm，实测长度值为计算长度值的100%，式（5）得到的宽度值为19.67 mm，实际测量得到的长度值为19.65 mm，实测长度值为计算长度值的99.9%，式（6）得到的高度值为9.81 mm，实际测量得到高度值为9.81 mm，实测长度值为计算长度值的100%。实验数据如表3所示。

第一组和第二组制件在长度方向的收缩量最小，第三组制件在宽度方向收缩量最小，打印精度最高，打印时这三组收缩量最小方向的均位于打印机X轴方向，说明不同的摆放位置对制件收缩的方向性影响较小。第一组的高度方向、第二组的宽度方向和第三组的长度方向收缩量相对增大，居于中间位置，這三个方向均是打印机Z轴方向，说明打印时沿制件逐层累加的方向（Z轴方向）精度相对较好。

4  结  论

本文使用陕西恒通智能机器有限公司生产的FDM型桌面3D打印机，打印了不同参数下的PLA丝材制件，研究了底部/顶部厚度、填充密度、摆放位置对打印精度的影响，结论为：

（1）各参数因素对打印制件均有一定影响，影响相对较小，制件各方向均有一定程度的收缩，同时其收缩具有一定的方向性;

（2）由于打印机精度和打印算法的影响，在相同的打印参数下，沿打印机X方向收缩量最小、精度最高;

（3）打印时的摆放位置对制件的打印精度有一定影响，沿制件逐层累加的方向打印精度相对较好。

参考文献：

[1] 肖苏华，巫小珍.聚乳酸材料在桌面型3D打印中的应用研究 [J].机电工程，2015，32（10）：1344-1347.

[2] 关雷，史子木，华学兵.熔丝沉积3D打印工艺问题分析及解决办法 [J].浙江工贸职业技术学院学报，2017，17（4）：53-57.

[3] 张晓华，张李超，李智，等.基于熔融沉积法的快速成形柔性丝材技术研究 [J].精密成形工程，2015，7（5）：81-85.

[4] 金泽枫，金杨福，周密，等.基于FDM聚乳酸3D打印材料的工艺性能研究 [J].塑料工业，2016，44（2）：67-70.

[5] 张永，周天瑞，徐春晖.熔融沉积快速成型工艺成型精度的影响因素及对策 [J].南昌大学学报（工科版），2007，29（3）：252-255.

[6] 王微，阚玉锦，王宏琴，等.FDM 3D打印参数对打印件精度的影响研究 [J].佳木斯大学学报（自然科学版），2019，37（1）：123-125.

[7] 迟百宏，解利杨，高晓东，等.FDM工艺中构建取向对塑料制品力学性能的影响 [J].塑料，2015，44（4）：40-42.

[8] 赖周艺.FDM 3D打印单层面体成形过程与工艺参数分析 [J].机械工程师，2017（7）：100-102.

[9] GALANTUCCI L M，BODI I，KACANI J，et al. Analysis of Dimensional Performancefor a 3D Open-source Printer Based on Fused Deposition Modeling Technique [J].Procedia CIRP，2015，28：82-87.

[10] 陈金英.基于3D打印产品质量分析的实验研究 [J].制造技术与机床，2019（1）：104-107.

[11] 韩江，王益康，田晓青，等.熔融沉积（FDM）3D打印工艺参数优化设计研究 [J].制造技术与机床，2016，16（6）：139-142+146.

[12] 杨继全，徐路钊，李成，等.基于FDM工艺的零件成型质量工艺参数研究 [J].南京师范大学学报（工程技术版），2013，13（2）：1-6.

作者简介：周长秀（1984—），女，汉族，山东邹城人，助教，硕士，研究方向：机械设计与制造。