FDM打印质量缺陷及分析

高文嫱

摘 要：熔融沉积成形是一种3D打印成形工艺，其加工灵活性强、设备结构简单、材料成本低，在机械加工、教育等行业得到了广泛应用。但是受到工艺和设备精度的限制，其加工的制件会出现强度不够、表面质量差、扭曲错位及翘曲窜动等缺陷，文章对主要缺陷产生的原因进行了分析，并总结了改善缺陷的主要方法。

关键词：FDM打印；质量；缺陷

中图分类号：TP334.8 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）30-0082-02

1 FDM打印技术概述

熔融沉积成形Fused Deposition Modeling（FDM）是3D打印技术中的一种典型加工工艺。3D打印技术，又称增材制造技术，是结合CAD技术将模型离散成有限个单元，并逐层加工堆积成形的加工方式[1]。英国《经济学人》杂志将3D打印技术喻为第三次工业革命的推动力量[2]。得益于累积加工方式，3D打印技术无需考虑减材制造中涉及的刀具所需空间和轨迹，因此其成形灵活性更高、设计难度低且生产周期短，目前广泛应用于机械加工、模具制造、教育、医疗及航空航天等多个领域。

3D打印技术起源于分层制造法，由J. E. Blanther在1892年提出，并在早期应用于制作地形图。1988年，美国3D systems研制出FDM打印技术，并发明了第一台快速成形机，随后DTM、Z Crop等多家公司也不断研制并推出3D打印技术及设备，推动了3D打印技术的快速发展。国内也积极开展了对于FDM技术的研发，西安交通大学、北京航空航天大学都相继建立了工作室，同时市场也涌现出了大批的科技公司，成功研制出了FDM设备及接口软件[3]，促进了该技术在国内的推广和应用。

2 FDM打印技术原理

3D打印技术的基本原理是离散和堆积[4]。首先利用CAD或者逆向工程技术完成模型的建立，在程序处理的过程中，将构建好的模型沿着一定的方向离散成有限个单元，每个单元可近似地看成平面，并生成加工轨迹。在加工的过程中，每次完成一个平面的加工，再通过层与层之间的连接进行堆积，累积成三维实体，最终完成三维成形。

熔融沉积成形原材料为丝状塑料，加工时利用辊子将丝送入喷头，塑料在喷头高温的作用下迅速融化，并由喷头挤出并粘结至工作台或已成形表面，随后快速冷却凝固，每粘结完一层，喷头上升或工作台下降一定高度，以进行下一层的粘结，如此循环最终获得制件。制件完成后要进行去支撑、光滑表面等后处理操作[5]。

3 FDM打印主要质量缺陷及分析

熔融沉积成形虽然有其快速便捷的优势，但也存在成形精度低、表面质量差，加工速度慢等缺点。其生产的制件主要质量缺陷有以下几种：

3.1 强度不够

强度不够是FDM制件的主要问题，也因此限制了该技术的应用范围。强度问题主要是由于工艺和材料导致的。首先，打印材料对制件强度起着决定性作用，FDM应用的材料为塑料，如工程塑料ABS，聚碳酸酯PC和聚乳酸PLA等。但不同的塑料强度差异很大，ABS材料的强度和韧性就明显好于PLA材料，但由于PLA属于生物降解材料，材料价格低廉且更加环保，应用PLA材料的打印设备成本也相对较低，因此PLA材料在示范教学中应用得更为广泛。对于材料的选择，应综合考虑制件性能需求、应用范围及经济性等多个因素，选择更为合适的材料。其次，FDM的原理是将实体模型分成若干层，对每层进行打印，层与层之间依靠材料融化后重新凝固进行连接。而这种连接方式的强度则受到材料热物理特性和模型的影响。当模型截面较小时，两层之间的连接部分面积过小，则会导致连接强度不够，在后期模型处理或受力的过程中很容易发生折断。因此，在模型设计的过程中，应尽量避免尺寸过小的连接部分。

3.2 表面质量差

FDM打印过程中常出现的另一种缺陷是表面拉丝，这些丝有时呈点状，有时呈长条状，直接影响制件的表面质量及使用性能，对于需要精密配合的制件，表面质量差会直接导致装配精度不达标甚至无法装配。表面拉丝是由于喷头在材料外表面停止挤出材料时，仍有一部分融化的材料受到重力的作用流出喷头，附着在制件表面，形成点或长条。现有设备大多通过在打印停止时进行材料丝回抽来缓解表面拉丝问题，该方法在每段程序打印完成后，喷头抬起時加入一段程序，使材料丝反向运动，尽可能保证融化的材料不流出喷头。回抽材料过少不能明显改善拉丝现象，而回抽材料过多会导致下次打印的起始点不准，影响层与层之间的连接，因此要想通过回抽的方法改善表面拉丝问题，要求设备精度较高，尤其是对于给丝电机的精度，提出了较高的要求。对于已经出现拉丝的制件，只能通过后期表面处理，用砂纸或锉刀等方式机械地去除多余材料，但也有可能会导致制件表面出现许多细小的材料屑，需要喷漆等进一步后处理以弥补表面质量缺陷。

另一种表面质量缺陷是由于支撑部分造成的。由于FDM是由下自上累积成形的，对于一些上部的突出结构，必须从底部对其添加支撑结构。若模型与支撑采用同种材料同时进行加工，后期只能用刀具去除支撑部分，则与支撑接触的制件表面质量会下降。部分机器模型和支撑采用两种材料，支撑为水溶性材料，在后期处理时可用碱溶液融化支撑，所得到的制件表面质量相对较好。

3.3 扭曲、错位

在3D打印的过程中，也经常出现制件上下两部分相对位置发生移动，导致制件扭曲或错位的情况。在连续打印中，这种上下不对应的情况常常是由于已经打好的部分受到外力的作用发生移动导致的，这种移动可能是由于模型与底板部分连接不牢固，使得在材料发生热胀冷缩等变形时，从底板脱落导致的，也可能是由于机器精度不够，喷头在移动中撞击到了已经打印好的部分造成的。除此之外，在模型打印的过程中，人为的触碰和干扰也会导致上下模型的错位。

而错位现象的产生更容易发生在断点续打之后。随着3D打印技术的不断发展，断点续打技术也越来越多的被采用，以打破3D打印过程需要设备长时间不间断工作的限制，大大提升了该技术的灵活性。所谓断点续打技术就是在打印的过程中，人为地停止打印，而此时打印机会在程序中进行标记，记录打印进度及打印停止时喷头的坐标参数，在下次继续打印时，打印机会选择从上一次标记的位置开始程序，将喷头置于上次所处的坐标位置开始打印。在这一过程中，由于喷头位置精度等因素的限制，记录和重新读取数据都存在一定的偏差，因此在续打后很容易出现上下错位的情况。通常续打完成的制件，可在制件表面观察到续打的痕迹，表明该技术仍需进一步的改进和完善。目前续打技术多应用于一些形状简单、精度和表面质量要求不高的制件中。endprint

3.4 翘曲、窜动

制件在打印后期容易发生变形、翘曲的缺陷，且越接近底层变形越大，严重时制件会从底板上完全脱离、窜动，导致制件制作的失败。这种变形主要是制件内部的热应力导致的，材料丝首先被加热至融化，然后挤出粘结在底板或已加工完成的部分上方，此时材料温度较高，发生膨胀，稍后材料冷却时发生收缩，这种收缩随着层数的增加发生累积，最终导致变形。目前解决翘曲的主要方式有两种，一种是底板加热，另一种是封闭加工，加热环境温度。两种方法的目的都是为了使材料受热更均匀，冷却的过程中缓慢的释放热应力，避免应力集中造成的翘曲，其中封闭加热环境温度能够使模型整体处于恒定温度中，对热应力问题的改善更为明显。

4 结束语

3D打印作为新兴技术，具有其獨特的优势，能够利用模型的离散和堆积完成产品的快速成形，实现了快速原型技术等，能够有效地节省生产成本，缩短生产周期。3D打印根据成形原理及材料的不同又分为许多种，其中FDM技术主要应用于塑料产品的制造。但该技术及相关设备的研发仍出在发展阶段，制件容易发生强度低、表面质量差、扭曲错位及翘曲窜动等缺陷，需要在模型设计及设备研发的过程中考虑到缺陷产生的可能性。在模型设计的过程中应避免截面过小的部分，以防止该部分强度不够造成整体力学性能的下降。在设备硬件设计的过程中也考虑反向抽丝及加热问题，以尽可能地改善表面拉丝及翘曲窜动等问题。在软件研发中，也应提高喷头位置的控制精度，进一步完善断点续打程序，同时提高中断位置的捕捉精度和续打位置的控制精度，避免模型的扭曲和错位。除此之外，FDM打印制件仍然存在一些质量不稳定的因素，需要对相关技术和工艺及设备的不断研发和优化。

参考文献：

[1]卢秉恒，李涤尘.增材制造（3D打印）技术发展[J].机械制造与自动化，2013，42（4）：1-4.

[2]Wang F Y. From social computing to social manufacturing： the coming industrial revolution and new frontier in cyber-physical-social space[J]. Bulletin of Chinese Academy of Sciences， 2012.

[3]李涤尘，田小永，王永信，等.增材制造技术的发展[J].电加工与模具，2012（s1）：20-22.

[4]陈鹏.3D打印技术实用教程[M].中国工信出版社，2016.

[5]周功耀，罗军.3D打印基础教程[M].东方出版社，2016.endprint