基于FDM快速成型工艺的佛像3D打印

刘建元 陈亮

【摘 要】采用传统的数控加工或多轴联动数控加工难于加工含有复杂曲面外形及复杂内型内腔的零件，FDM快速成工艺采用分层增材制造原理，对佛像的STL文件进行分层处理后获得的截面轮廓信息用于生成驱动打印喷头作喷丝扫描运动的加工路径，一层层的二维扫描喷丝运动堆叠成具有复杂曲面外形特征的佛像类制品。

【关键词】FDM STL格式 截面轮廓 层高 扫描方式

佛像类制品一般包含很多复杂的自由曲面和轮廓特征，如果通过模具或数控加工进行制作，通常需要较多的加工程序有的甚至还要用到多轴联动数控加工，采用FDM原型制作技术制作佛像无需模具和数控加工，因而能搞高效率并降低成本。

1 FDM原理及系统组成

快速成型机的加热喷头依据快速成型系统按制品截面轮廓信息生成扫描路径进行扫描喷丝，丝材由送丝机构送至喷头，经过加热、熔化，从喷头挤出粘结到工作台面，然后快速冷却并凝固。每一层截面完成后，工作台下降一层的高度，再继续进行下一层的造型。如此重复，直至完成整个实体的造型。丝束熔融沉积的层厚由喷头挤丝的直径、喷头的运动速度等决定[1]。

FDM工艺关键是保持熔融的成型材料刚好在凝固点之上，通常控制在比凝固点高1 ℃左右，目前最常用的熔丝线材主要是ABS、PLA、人造橡胶、铸蜡和聚酯热塑性塑料等。

2 采用FDM制作佛像的3D打印工艺过程

（1）设计打印制品的三维CAD模型。根据产品的要求，利用UG、Pro/E、Solidworks、MAYA、3DMAX、北京精雕等三维造型软件设计产品的3D模型[2]。

（2）制品三维CAD模型的近似处理，得到制品的STL格式文件。产品上有许多不规则的曲面，在加工前必须对模型的这些曲面进行近似处理。目前最普遍的方法是采用美国3D System 公司开发的STL（Sterolithgraphy）文件格式。用一系列相连的小三角平面来逼近曲面，得到STL 格式的三维近似模型文件。许多常用的CAD设计软件都具有这项功能，如Pro/ E 、Solidworks、UG等。

（3）对制品STL文件进行分层处理。由于FDM工艺是将模型按照一层层截面加工叠加而成的。所以必须将STL格式的三维CAD模型转化为快速成型制造系统可接受的层片模型。片层的厚度范围通常在0.15～0.4mm之间。各种快速成型系统都带有分层处理软件，能自动获取模型的截面信息。

图1 佛像的STL格式模型

3天威CoLiDo桌面3D打印机举手佛像的3D打印过程

（1）载入用于打印的佛像的STL模型：点击载入，找到STL文件格式的举手佛像，载入后的佛像STL模型如图1所示。

（2）根据打印的材料选择PLA或ABS，并根据模型及效果选择相应的打印模式，具体选项意义为：I）Printrite Best代表最佳模式 ；II）Printrite BIG Model代表大型模型打印模式；III） Printrite draft草稿模式；IV） Printrite Support代表支撑模式。

（3）打印模型的缩放。

1）平移：可以输入一个数值来平移需打印的模型，操作时也可以用鼠标来平移打印模型。

2）缩放：可以对打印模型进行单轴缩放，也可以对打印模型整体按比例缩放，也就是产品的长、宽、高可以在一定比例范围内进行任意缩放。

3）旋转：为了使产品尽量减小支撑及提高打印质量，可以调整产品的摆放方位。

（4）参数置选项。

图2 相关打印参数设置 图3 打印喷头驱动代码

1）如图2所示在Layers and perimeters选项中最主要参数为设定分层打印层高，通常情况下，层高值设定得越小，模型的打印精度越高，表面质量越好，但所需的分层处理和打印时间则会相应延长，从而降低了打印效率，打印机的默认打印层高为0.4mm；2）Infill为填充扫描方式，FDM扫描方式有平行扫描、偏置扫描、螺旋扫描、蜂窝状扫描等多种扫描方式，默认的扫描方式为honeycomb （蜂窝状扫描），扫描路径不仅影响打印制件的打印精度和打印效率还影响打印件的变形[1]；3）Speed选项用来设定喷头移动速度，本文所述3D打印默认速度为60mm/s。设置好上述参数后便可点击生成用于驱动3D打印喷头作喷丝扫描运动的代码，如图3所示。将图中所示代码通过数据线发送给打印机或SD卡拷贝至打印机，便能打印出佛像的真实模型。

4 FDM快速成型工艺的特点

FDM 快速成型系统成本较低，不需要其他快速成型系统中昂贵的激光器；成型材料价格较低；FDM 原型特别适合有空隙的结构，可节约材料与成型时间；体积小，无污染，是办公室环境的理想桌面制造系统。由于采用分层制造原理FDM工艺可适应具有非常复杂曲面外形的佛像类制品，动物模型等的3D打印制作。

FDM制件适用于薄壳体零件及微小零件；原型强度比较好，近似于实体零件，可作为手板概念模型直接验证设计。

5结语

FDM已经广泛地应用于制造行业，它无需开模及数控等复杂的机械加工便可直接得到复杂产品的模型，降低了产品的生产成本，缩短了生产周期，大大地提高了生产效率，拓展了研发和设计的手段并加快了研发设计周期，给企业带来了较大的经济效益。

参考文献：

[1]韩霞，杨恩源.快速成型技术与应用[M].北京：机械工业出版社，2012：47-57.

[2]谭剑锋等.FDM快速成型技术在动漫模型制作中的应用[J].机械设计与制造，2014，（6）：233-234.

基金项目：广东科技学院重点科研项目 （编号：GKY-2012KYZD-1）

课题：东莞市2014年哲学社会科学立项资助课题 （编号：2014ZD02）

作者简介：刘建元（1974—），男，四川仁寿人，副教授，研究方向为计算机辅助设计与制造及数字化快速成型技术。