基于FDM 3D打印悬空部位缺陷的模型优化处理

◎陈 涛 郭志冬

（三门峡职业技术学院智能制造学院，河南三门峡472000）

FDM（Fused Deposition Modeling）又称为熔融沉积制造工艺[1]，于1988年研制成功。FDM 3D打印时，FDM材料在喷头内被加热熔化。喷头沿零件截面轮廓和填充轨迹运动，同时将熔化的材料挤出，材料迅速凝固，并与周围的材料凝结，从而形成整个原型或零件。

1 FDM 3D原理介绍

FDM 3D打印工作原理是熔融沉积成型原理，是逐层熔化塑料3D打印耗材线圈堆积成型三维物体实物，由成型程序指令控制喷头逐帧打印。对于桌面级的FDM 3D打印机而言，喷头是材料挤出成型的重要部件。打印三维立体实物，需要用到ABS、PAL等热塑性聚合物材料的3D打印材料，通常是主要用PAL 3D打印材料。目前最常用的桌面级FDM打印机，是采用热熔融成型技术，将条状成卷的材料，在喷头部件里用180℃左右的温度熔化后挤出来，附着在底板或者下一层材料上并且冷却凝固成型。

FDM 3D打印工作过程为：先使用3D软件设计建模模型，比如动漫、人物、艺术玩具、模具零部件等。把3D设计图生成STL格式，用3D切片软件转换成打印格式，然后保存3D打印机中，设置好打印机后，打印机就把耗材在喷头中加热熔融成丝，采用控制热喷头运动轨迹的方法，使其按照CAD分层数据控制的路径沿着模型截面图形运动，同时挤出半流动状态的材料，使其挤压在指定位置，逐层沉积，凝固后形成整个原型或零件[2]。FDM 3D打印的优点一是操作简便，仅仅在温度、层高、速度、壁厚等几个方面进行简单设置即可；二是材料成本低，适合初学者操作训练及学生进行创新创意作品3D打印的普及；三是无污染，打印过程没有气味、粉尘等有害的物质产生，可以安全地运用于办公场所，适合进行各种设计建模并对其形状和功能进行测试。

2 FDM 3D打印的缺陷

FDM 3D打印也有其先天的缺陷，当模型上有悬空部位时，打印的模型的背面会出现表面疏松、粗糙甚至是掉丝现象，图1所示为打印模型正面和背面悬空部位的打印质量对比。

图1 模型正面与背面悬空部位打印效果对比

图2 去除支撑产生的瑕疵

另外，当模型上有悬空面时，FDM 3D打印切片软件都具有自动添加支撑的功能，会在模型悬空部位添加支撑，来保证悬空部分不至于脱落，有支撑的打印面表面粗糙，而且支撑往往和模型粘接在一起，去除较难，还会在模型上留下瑕疵，如图2所示。

3 缺陷产生的原因及打印对比分析

FDM 3D打印是利用了逐层堆叠的原理[3]，上层材料是以下层为基础和支撑，笔者以0.4mm直径的常规热喷头为例，层高选择默认值0.2mm，打印竖直面时，两层之间的熔丝有重合部位，经过热喷头的挤压作用，会形成如图3所示的层状结构。

图3 竖直面打印

图4 倾斜面打印

当打印面与竖直方向成一定夹角倾斜时，如图4所示，在模型的背面，倾斜角越大，上下两层熔丝间的重合区域越小，当角度大于60°时，上下层熔丝之间分离，没有重合区域，上层熔丝由于得不到下层的支撑而呈现悬空状态。

随着倾斜角度的增大，熔丝间距离增大，热喷头的挤压作用也减小，模型的背面也由于熔丝的稀疏而显得粗糙，上下层熔丝分离时，会出现掉丝现象，为了检验不同倾斜角的打印模型背面质量，分别设置了不同倾斜角度的平面和回转面模型进行打印比较，倾斜面与竖直方向的夹角从45°到 70°变化，间隔为 5°，模型如图 5 所示，打印质量对比如下表所示。悬空面均采用无支撑打印，打印质量对比如下表所示。

图5 设置不同倾斜角度的打印模型

图6 悬空部位产生支撑情况对比

表1 不同倾斜角度的悬空面打印质量对比与竖直方向夹角

从打印结果来看，悬空面与竖直方向成70°和65°夹角时熔丝已从表面脱落，回转面已产生掉丝现象，平面模型由于两边缘的拉力作用，熔丝没有掉落，但明显已脱离模型表面而悬空，60°夹角基本没有产生熔丝脱落现象，但丝线间的间隙较大，表面粗糙，55°夹角时打印面已基本符合打印质量的要求，从 55°夹角到 50°、45°，打印的表面越来越平整、致密，45°夹角表面质量最好，我们可以把55°夹角在以内的角度称为优化打印角度。

悬空部位的支撑去除时，由于熔丝的粘连会产生瑕疵，这也是影响打印模型质量的重要因素，笔者设置了不同尺寸的悬空部位，检测打印切片软件的支撑设置情况，如图6所示，从图中可知，当悬空长度在3mm、2mm、1.5mm、1mm时，软件都会自动添加支撑，在0.5mm以下是没有添加支撑。为了避免支撑，将悬空部位添加一个倒圆角，然后做切片打印，结果没有产生支撑，如图7所示。

悬空部位添加一个倒圆角后虽然不会产生支撑，但是由于过渡不平滑，还会产生熔丝脱落现象，如图8所示，改进的办法是再添加一个内倒圆角，打印结果显示，改进后的打印模型过渡平滑。

4 模型的优化处理

根据以上的分析，模型的优化处理从几个方面入手：第一是减小悬空面与竖直方向的夹角，从而缩小打印缺陷部分的面积。例如，图9是宇航员模型，模型直立打印时，手臂和背包下表面是主要的悬空部位，需要添加支撑，由于支撑的高度较大，极易产生打印错误，优化方案是设置如图所示的打印基准平面，用手工的方法添加支撑结构，优化结果：身体的倾斜角度大约是45°左右，背包的角度和身体一致，手臂几乎成竖直状态，这样一来，模型的躯干、腿部、手臂和背包等主要部分的倾斜度都处于优化打印角度55°以内，占总表面积的95%左右，打印质量优良。

第二是在不影响精度和外观尺寸要求的情况下，利用圆角结构使悬空部位平滑过渡，从而减少打印的支撑部位。例如图1的建筑物模型的门窗部分有小尺寸的悬空，打印时需要添加支撑，去除支撑后表面留有瑕疵，将模型悬空部位进行如图8所示的圆角优化处理，则无须添加支撑，打印出的模型表面光洁无瑕疵，如图10所示。

第三是对于有面积较大的悬空部位的模型，可采用拆分模型的方式分别打印，打印完成再进行黏合，如图11所示。

图7 悬空部位添加倒圆角后的打印效果

图8 添加内倒圆角后的打印效果对比

图9 打印模型的优化处理（一）

图10 打印模型的优化处理（二）

图11 打印模型的拆分

5 结语

FDM 3D打印由于其逐层堆叠的原理，其悬空部位产生的打印缺陷难以避免，笔者从模型悬空部位的角度和尺寸入手，通过对比分析和打印测试确定了易产生打印缺陷的倾斜角度和尺寸，以此为依据提出了打印模型的优化方法，为进行FDM 3D打印的模型设计提供了参考。