3D 打印中FDM 加工技术在机械制造领域中的应用

陈 莉

（江西省井冈山经贸学校， 江西 吉安 343699）

引言

FDM 是熔融成型法的英文缩写（Fused Deposition Modeling）。作为一款新型工业制造方法，3D 打印技术集成了众多领域中的高端新型技术，例如人工智能、新材料等。现阶段，如果从印刷原理角度对3D 打印进行分类，大致可以分为FDM、SLS、SLA、3DP 四类。其中，FDM 代表的是熔融沉积型3D 打印机；SLS 代表的是选择性激光烧结型3D 打印机；SLA 代表的是光固化成型3D 打印机；3DP 代表的是三维粉末黏结型3D 打印机。FDM 型3D 打印机适用于家庭或者办公室，这是因为此类型3D 打印机不仅占用空间少、印刷材料几乎无污染（特别是其PLA 材料可以降解），而且具有使用成本相对较低的优势。与此同时，FDM 型3D 打印机可以打印出一些结构上相对复杂的工业产品。除此之外，FDM 型3D 打印机与其他三类3D 打印机相比，设计难度相对较低，符合研发周期短的项目所需[1-3]。

1 基于FDM 技术的3D 打印机工作原理

现阶段，机械制造领域中的新技术层出不穷，特别是增材制造技术的出现使得机械制造跨上了一个新的台阶。在这个技术前沿领域中，依据加法原则的3D 打印无疑成为了增材制造技术的代表性的科技成果。与以往常规机械制造工艺相比，此项技术不仅使得机械制造产品的空间造型更加独特，而且使得工期与成本均有所降低。

本文所涉及的基于FDM 技术的3D 打印机采用的是加法原则，其应用分层制造原理，通过不断地将不同层上的二维轮廓信息依据规则叠加，最终制成为三维模型。这是一种快速的3D 打印加工的方法。

FDM 型3D 打印机是一个非常复杂的精密工业制品，拥有众多零部件，例如工作台、送丝机构、加热器、各类材料喷嘴、支撑、模型等（图1），具体介绍如下：

图1 FDM 型3D 打印机基本运行原理图

1）工作台是3D 打印印刷的核心部位。

2）送丝机构为挤出机构提供了送丝装置，将熔融后的材料挤压出来，并在加热室中加热电线后，就会熔化并输送到喷嘴中。

3）挤出机构不仅承载的功能多，而且其结构最为复杂。挤出机构是材料填充、加热、挤出必不可少的部分，是印刷材料的叠加的关键配件。

4）FDM 型3D 打印机的基础还是依靠喷嘴打印二维平面的路径的叠加来实现的。也就是说，在FDM型3D 打印机控制系统的操控下，工件是通过逐层黏结打印的，当一个二维平面的路径被喷嘴打印出来后，喷嘴随即向上移动一个距离，继续下一个二维平面的路径的打印工作，依次往复循环，直到打印终止命令发出。在上述过程中，基于FDM 技术的3D 打印机需要完成如下几个步骤：一是设计；二是建立零件的CAD 模型；三是将零件CAD 模型转换为STL 模型；四是数据处理。FDM 型3D 打印机数据处理流程，如下页图2 所示。

图2 FDM 型3D 打印机数据处理流程

2 基于FDM 技术的3D 打印机核心机构及结构设计

2.1 基于FDM 技术的3D 打印机总体设计

总体而言，FDM 型3D 打印机由机械系统、控制系统、软件系统组成（图3）。其中，软件系统一般配置于与其相连的计算机主机。软件系统根据STL 模型的3D 模型生成打印机可以读取和作出相应反应的G 语言代码，然后通过串行通信将其传输到控制系统。在软件系统中，一般是采用UG 实现3D 打印建模过程。借助UG 软件绘制模型图，并最终存储为stl 格式的数据。

图3 皮带机变频节能控制系统软件功能图

图3 FDM 型3D 打印机系统结构关系

控制系统不断向机械系统输送控制打印路径。控制系统包括外部电路、温度控制系统、功率控制系统、工作流控制系统等。将CAD 设计出来的图形，通过Cura 切片软件以及Pronterface 可视化操作软件，转化成3D 打印机能够执行的代码。同时，步进电机的位置和温度信息将反馈到计算机。

机械系统主要是执行控制系统发出的各类打印任务命令。在机械系统中，成型加工过程容易产生成型件精度误差问题，主要包括四个方面，分别是工作台引起的误差、同步带发生形变诱发喷嘴定位误差、电机部分结构引起喷嘴定位误差、挤料速度与扫描速度误差等。

2.2 基于FDM 技术的3D 打印机控制系统设计

该软件系统负责对导入的三维模型切片进行分层, 并根据设定的处理参数生成所需的G 代码。控制系统的结构如图4 所示。

图4 控制系统框架

主框架现有的挤压和挤出机构包括主框架其他部分的挤压机构，用于轴保持传动的X 轴电机、Y 轴电机同步带的印刷框架结构机身接头X 轴Y 轴传递给FDM 技术支持，并安装挤出部件等。其直接影响证书印刷过程的运动，从而实现了机械机构Z 轴螺杆传动图的三维打印和整形。

控制系统的挤压机构和导轨具有印刷过程中提供的来源。挤压喷嘴结构的定位印刷喷涂机系统2、3台机械打印机采用框图进料机构和挤出机的质量机构。无限进料喷嘴的精确进料机构由单个驱动机构的喷嘴等组成。打印机构用于准确定位线材。机械送丝机的加热结构喷嘴可以三维打印零件等。

挤出机构将打印线材设备。传动系统的结构是远线送丝和近送丝。执行零件清单打印机结构、车身结构、负材料平滑运动机构、结构和控制等。

2.3 基于FDM 技术的3D 打印机三喷嘴挤出机构的设计

现有的FDM 型3D 打印机的挤出机构在稳定性和连续性方面往往存在一定的不足。为此，对于三喷嘴挤出机构的设计需要优化，以便于打印和成形过程的稳定与连续。

在挤出机构的选型上，本文设计选择的是柱塞挤出机，原因在于其体积小、节省空间。在符合3D 打印实际需求的前提下，尽可能地节省设备空间，有利于其他部位的整体设计与机械系统的整合。

柱塞挤出机构包括冷却风扇、环形散热器、加热模块、喷雾和热电偶等模块。其原理是将加热室中的实心线用作柱塞，将熔融的导线向前推，以便从喷嘴中挤出熔丝。

在机械动力设备的选型上，本设计选择的是步进电机。FDM 型3D 打印机喷头在步进电机的驱动下规则运动。其喷头在移动过程中遵循惯性定律。为此，要使其时间运动定位尺寸略大于其设计尺寸，用以避免因惯性造成的微量尺寸误差。

印刷材料是高聚物，在熔融状态下具有很强的黏性。有些电线会在加热室的通道中积聚，这很容易导致挤压机构堵塞。为了解决挤压机构容易被印刷材料堵塞的问题，本设计采用了耐高温且表面不黏的特氟龙软管。此类软管有利于提升转轮中焊丝的流动性。

4 结语

如今3D 打印中FDM 加工技术在机械制造领域开始被承认与广泛应用。在FDM 型3D 打印机的辅助下，复杂零件的制造难度和操作难度均得到了降低。同时，生产同等规格复杂机械零件的经济效益也得到了保障。不过，此项技术仍有很多需要改进的地方。