桌面3D打印机工作台贴面材料分析*

关　雷，史子木，武　坤（.浙江工贸职业技术学院材料工程系，浙江温州35003；.无限三维（青岛）打印技术产业研究院有限公司，山东青岛66000）

桌面3D打印机工作台贴面材料分析*

关雷1，史子木1，武坤2
（1.浙江工贸职业技术学院材料工程系，浙江温州325003；2.无限三维（青岛）打印技术产业研究院有限公司，山东青岛266000）

3D打印技术也称为快速成型，是一门新兴的技术。其中基于融熔沉积技术的桌面3D打印机应用日益广泛。为了使打印材料牢固的涂覆在打印机工作台表面，需要将一些利于粘附的材料贴附到3D打印机工作台表面。根据不同的打印耗材，应使用不同的贴面材料。文章分析了几种贴面材料的性能，使用方法，适用范围。并以使用PLA（聚乳酸）线材进行3D打印为例，分析了几种工作台贴面材料的优缺点。

桌面3D打印机；贴面材料；熔融沉积

0　前言

美国学者Scott Crump于1988年成功研制了熔融沉积（Fused Deposition Modeling）制造工艺，简称FDM。FDM打印机的加热喷头可以在计算机的控制下，根据产品的截面轮廓信息，作平面运动，热塑性丝状材料，如PLA、ABS或尼龙等，由供丝机构送至热熔喷头，并在喷头中加热和熔化成半液态，而后被挤压出来，有选择性的涂覆在工作台上，冷却后形成一层薄片轮廓［1，2］。一层截面成型完成后工作台下降一定高度，再进行下一层的熔覆，如此循环，最后形成三维产品。

FDM工艺是从底层开始构建模型的，所以打印的第一层尤为重要。只有第一层良好的粘附在工作台上才能保证上面的模型结构正确和稳定。为了提高工作台表面和第一层之间的附着力，桌面3D打印机工作台表面常常被覆盖上一些利于粘附的材料，称为贴面材料。这些贴面材料有着各自的特点，不同的贴面材料使用方法和适用范围有着较大的区别。因此应根据不同的打印耗材选择合适的贴面材料。本文将对贴面材料的性能，使用方法，适用范围做出详细的分析。

1　 3D打印机贴面材料介绍

1.1高温玻璃

高温玻璃是最常见的工作台贴面材料，它是以SiO2和B2O3为主要成分的硼硅酸盐玻璃，不仅表面平整度和光洁度好，而且具有良好的耐热性和化学稳定性。能够确保打印第一层时粘贴层各处厚度均匀，平面上各点都能可靠粘附，可用于ABS、PLA等耗材，PLA尤为合适。

使用方法如下：首先用丙酮清除高温玻璃表面的灰尘和油渍，用镊子来去除打印时残留的塑料渣。然后将其固定到工作台上并加热，一般打印PLA材料工作台温度50-70℃，ABS材料工作台温度80-110℃。加热后再进行打印，打印完毕后，待工作台冷却到室温，用刮刀将打印的模型从打印托盘上取下来。

高温玻璃应用于贴面材料的原理是利用材料的热塑性来提高附着力，在高温时材料粘度较大，可以更好地粘附在高温玻璃表面，而在冷却后粘附层变硬，失去粘力，这时模型可以容易取下。

使用高温玻璃作为工作台贴面材料价格低、操作简单、模型底面光洁，但必须要加热工作台。不足之处是在环境温度变冷时，有时工作台温度来不及补偿，这就会导致打印模型发生翘边的现象。为了解决这一问题，人们通常使用附着力更强的表面磨砂高温玻璃或带有特殊涂层的高温玻璃来作为工作台贴面材料。

1.2多孔环氧板（洞洞板）

在使用FDM工艺打印PA，PC，PP，ABS等一些收缩性较高的耗材时使用多孔环氧板作为工作台贴面材料特别合适。多孔环氧板是表面均匀分布有圆形小孔的环氧玻璃纤维板，环氧玻璃纤维具有耐热性（热等级F级，155℃）和耐潮性，同时由于环氧树脂分子链中固有的极性羟基和醚键的存在，使其对各种物质都具有很高的粘附力。

多孔环氧板使用方法比较简单，只需要将其固定在工作台上，再将工作台加热到120℃左右后，就可以打印了。打印完毕后，必须冷却到室温才可以取下模型。

需要注意的是打印第一层时要求喷嘴紧紧地压在多孔环氧板上，这样才能保证小孔塞满耗材。高温下热塑性材料粘度大，材料嵌入圆柱形孔中，相当于增大了粘附层与打印平面的接触面积，这样可以获得更高的附着力，从而避免材料收缩引起的翘边。冷却后，材料收缩与孔板分离，附着力降低，就可轻松的取下模型。这种方法可以有效地防止高收缩率材料发生翘边的现象，但打印的模型底部有明显的突起小点，平整度不好。

1.3聚酰亚胺胶带

聚酰亚胺胶带又称Kapton胶带或金手指胶带，颜色为琥珀色。它以聚酰亚胺薄膜为基材，单面涂布高性能有机硅压敏胶，短期耐温性300℃，一般耐温性260℃。FDM 3D打印机喷头温度一般在230℃以下，可以长期使用。这种材料常被用于打印ABS耗材，使用时把聚酰亚胺胶带贴到工作台表面，工作台加热到60℃以上，就可以进行打印了。等到模型和底板完全冷却后，由于模型和胶带材料之间不同的收缩率，微观上模型和胶带已经分离，只要轻轻一撬，模型就很容易取下来了。

需要注意的是能否贴好聚酰亚胺胶带也是影响模型底部质量的关键，一般要求胶带粘贴的表面平滑无皱褶和气泡。这其实并不容易，一般的方法是先将胶带拉至须要贴合的长度后，再用手指粘好一端，然后用塑料卡片从已贴合的一端轻轻刮至另一端。贴合过程中要求平滑无气泡和皱褶，胶带与胶带之间的缝隙尽量小，但不要重合。最后再将胶带压牢固。也有一些其它的方法，比如Brian Evans使用肥皂水和小的塑料卡片贴聚酰亚胺胶带［3］。一般情况下，聚酰亚胺胶带不能长期使用，一周左右或打印的第一层不能很好地粘在胶带上的时候，就需要更换胶带了。使用这种方法打印模型，模型底面光洁度好。但贴合胶带操作复杂而且要需要定期更换胶带。

1.4美纹纸胶带

美纹纸胶带是以美纹纸和压敏胶水为主要原料，在美纹纸上涂覆压敏胶粘剂，另一面涂以防粘材料而制成的卷状胶粘带。具有耐高温、抗化学溶剂佳、高粘着力、柔软服贴和再撕不留残胶等特性。

美纹纸胶带具有独特的粗糙表面肌理，可以在打印第一层时将还处于液态的耗材储存在每一个肌理缝隙里。耗材冷却后形成强大的抓力，使模型与美纹纸之间极难分离，从而保证模型不会发生翘边现象。

使用美纹纸打印PLA或ABS可以不加热工作台，且黏贴美纹纸时不易起气泡和褶皱，这就较使用聚酰亚胺胶带简单了很多。但在打印模型比较大时，模型很难取下，通常需要铲子等工具的配合才能将模型从工作台上取下。取下的模型底部往往都会带有一层美纹纸的纸屑，使用浅色耗材时会特别明显。当然，通过在分层时自动生成底座来避免模型与美纹纸的直接接触，可解决残留纸屑的问题，但这样无形中也就增加了成本。

2　应用实例

目前，PLA（聚乳酸）线材是桌面3D打印机使用最广泛的耗材，本文作者使用PLA作为打印材料，打印喷头温度为195℃，工作台温度为80℃。分别使用高温磨砂玻璃、多孔环氧板、聚酰亚胺胶带、美纹纸这四种工作台贴面材料打印模型进行对比分析。具体测试结果如表1所示。

表1　不同工作台贴面材料使用情况对比

从表中我们可以看出，板材类材料的使用时间明显高于胶带类材料，而且覆膜更容易、更省时。多孔环氧板打印过程中，固定模型最牢固，但剥离模型同样最困难。从平台覆膜难易、耗时，打印过程模型牢固程度，模型剥离难易程度，材料使用时间等几个角度综合分析，打印PLA耗材使用高温磨砂玻璃作为工作台贴面材料最佳。

3　使用不同贴面材料打印工件的底面效果

3D打印模型的底面与工作台表面直接接触，所以贴面材料同样影响着模型底面的粗糙度。使用上述四种工作台贴面材料打印的模型底部照片如图1中所示，聚酰亚胺胶带（图1中（B））表面最光滑，多孔环氧板（图1中（D））表面最粗糙。从图1中我们可以看出图（B）使用聚酰亚胺胶带的模型底部最光滑，如同镜面一般光滑。从图（B）中红色矩形框中还可以发现一条向内凹的直线，这条直线是由于二条聚酰亚胺胶带边缘重合，引起工作台表面凸起导致的。图（A）、（C）表面平整，但没有图（B）光滑，图（D）表面有规则排列的圆柱形凸起，表面粗糙度最大，这是耗材嵌入多孔环氧板的圆形小孔导致的。

图1　使用不同工作台贴面材料打印出的工件底面情况：高温磨砂玻璃（A）、聚酰亚胺胶带（B）、美纹纸（C）、多孔环氧板（D）

4　结语

桌面3D打印机工作台贴面材料众多，本文叙述的只是最常见的几种。无论使用何种材料作为工作台贴面材料，其目的只有一个，就是提高工作台表面和打印第一层之间的附着力，同时让模型剥离更容易。在选用工作台表面材料时，需要根据打印耗材类型和工件要求及打印环境综合考虑。当使用PLA耗材进行3D打印时，高温磨砂玻璃作为工作台贴面材料的效果最佳。

［1］彭波，郑海忠，李淑贤，等.浅析3D打印机常见问题［J］.黑龙江科技信息，2015，（16）:153-154.

［2］许向宏.FDM 3D打印机及其适用材料分析［J］.广东印刷，2015，（1）:46-48.

［3］Brian Evans.解析3D打印机—3D打印机的科学与艺术［M］，北京:机械工业出社，2014:217-220.

（责任编辑：牛丽媛）

Analysisof the Cover Materialof the Desktop 3D Printer

GUAN Lei1，SHIZi-mu1，WU Kun2
（1.DepartmentofMaterial Engineering，Zhejiang Industry&Trade VocationalCollege，Wenzhou，325003，China；2.Infinite 3D（Qingdao）Printing Technology Industry Research Institute，Qingdan，266000，China）

3D printing technology，also known as rapid prototyping，isan emerging technology.The desktop 3D printerbased on fused deposition modeling（FDM）technology is increasingly used.In order to firm ly coat printing consumables on w orkbench，some materials adhered easily are used for theworkbench surface of 3D printer.According to the different printing consumables，different coveringmaterialsshould beused.In thisarticle，the performance，method of use and rangeof application，etc.of covermaterialswere analyzed.In addition，the advantagesand disadvantagesof the covermaterialsw ere also analyzed，w ith printing PLA asan exam ple.

desktop 3D printer；covermaterial；FDM

TB302.4

A

1672-0105（2016）01-0042-03

10.3969/j.issn.1672-0105.2016.01.011

2015-10-08，修回时间：2016-01-25

浙江省高等教育学会2015年度高校实验室工作研究项目（YB201528）；浙江工贸职业技术学院2015年度第二期教师科技创新活动计划项目（G150201）

关雷，硕士，浙江工贸职业技术学院助理实验师，主要研究方向：3D打印机开发与应用，纳米材料合成与应用。