一种基于FDM技术的3D打印机成型精度的研究思路

孙浩然　马丹丹　于长有

摘 要：3D打印技术出现于上世纪90年代中期，到目前为止只有30多年的发展历程。3D打印技术属于新兴技术和先进制造技术。3D打印机是建立在3D打印技术基础上的一种快速成型的机器。熔融沉积制造（FDM）技术是3D打印技术领域中的一种。部分的3D打印机在结构性设计上，没有较好的参考、借鉴那些传统的机器设计的成熟经验和成果。文章讲述的是一种基于FDM技术的3D打印機成型精度的研究思路。通过借鉴机床结构原理和注塑模结构原理中的成熟技术，提出若干技术规范要求，重新设计部分零部件，改进系统结构。

关键词：3D打印机；熔融沉积制造；成型精度；机床结构；注塑模结构

中图分类号：TH122 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）17-0069-03

Abstract： 3D printing technology appeared in the mid-1990s， so far only more than 30 years of development. 3D printing technology belongs to new technology and advanced manufacturing technology. 3D printer is a rapid prototyping machine based on 3D printing technology. Fused Deposition Modeling （FDM） technology is one of the 3D printing technologies. Part of the 3D printer in structural design is not based on good reference to mature experience and results of traditional machine design. This paper describes a research idea of 3D printer forming accuracy based on FDM technology. Through drawing lessons from the mature technology of machine tool structure principle and injection mould structure principle， this paper puts forward some technical specification requirements， redesigns some parts and improves the system structure.

Keywords： 3D printer； Fused Deposition Modeling （FDM）； molding accuracy； machine tool structure； injection mould structure

引言

3D打印技术出现于上世纪90年代中期，到目前为止只有30多年的发展历程，属于新兴技术和先进制造技术。它是一种利用光固化技术或纸层叠技术进行增材制造的工艺方法，也是一种材料的快速成型技术。它与平时常见的普通打印机的工作原理相似。只是普通打印机的打印材料为墨水和纸张，而3D打印机所使用的材料为各种实实在在的3D打印材料，其中最常见的为塑料。打印时，把一层层材料叠加起来，实现2D到3D的三维实体塑造。通过这种3D打印技术，可以轻松实现电脑上的三维实体造型设计由蓝图变为实物。

目前，3D打印技术主要有熔融沉积式（FDM）、选择性激光烧结（SLS）、分层实体制造（LOM）、数字光处理 （DLP）等类型。

1 基于FDM技术3D打印机的成型精度

熔融沉积制造（FDM）技术是3D打印技术领域中应用最为广泛的类型之一，是将各种丝材加热熔化进而堆积成型方法。基于FDM技术3D打印机使用的打印材料材质有热塑性塑料，共晶系统金属、可食用材料等。目前最常用的是丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）和聚乳酸（PLA）两种塑料材质，即基于FDM技术3D打印机所打印出来的产品主要是塑料材质。

这种以塑料材质打印出来的3D产品（零部件）和机械工业中利用其它成型方法得到的金属材质产品（零部件）一样，不仅在尺寸精度上有公差要求，还可能选择性标注有所需的形位公差，这些都对基于FDM技术的3D打印机提出了成型精度的要求。

2 关于基于FDM技术3D打印机的结构和设计理念

首先，针对市面上相当数量的基于FDM技术3D打印机成型精度不高且难以保证的问题，本文先尝试分析对这种3D打印机的设计理念。

3D打印机（3DP），是建立在3D打印技术基础上的一种快速成型的机器。一部机器需要符合的三个特征3D打印机都具有，即：

（1）人为的多件实物组合体。

（2）各实物体间具有确定的相对运动关系。

（3）完成有用功或实现能量转换。

但是，市面上最常见的那些打印机，设计人员在设计时，有时是从3D打印机是一种建立在新兴技术、先进制造技术基础上的这个概念出发的。而缺少对3D打印机是在过去很长一段时期的传统工业的基础上发展起来的一种工业装备的认识。当下媒体所关注的方面，也往往侧重于3D打印技术的各种能吸引人的新奇消息。

3D打印机是制造产品的机器，是工作母机，不是“玩具”。我们甚至可以从工业分类来说，设计和生产制造3D打印机的行业，属于重工业，而非轻工业。这种设计理念上的偏差造成的结果是市面上占有市场率较高的部分3D打印机类型，有相当一部分难以满足使用需求和保证打印精度。这部分打印机，价格从几百到上万。其中中低端产品多为拼接结构，甚至构成部件很多为塑料材质（如亚克力）。打印出的产品精度较低，难以严格保证尺寸、形状和位置精度。

新兴技术、“玩具”这些名词和概念，明显使得3D打印机偏离了其是一种工业设备的理念。因此，市面上能常常见到的3D打印机，观察研究其结构，和传统的有严格技术要求，有各种行业标准的金属切削机床和塑料成型注塑机不一样。很多很好的技术措施并没有在3D打印机上体现出来，没有很好的借鉴传统工业设计中的成熟经验和成果。分析其原因，主要在于对3D打印机的结构和设计理念上，没有严谨的定义3D打印机为传统工业设备的升级版。

3 基于FDM技术3D打印机成型精度的总体研究思路

目前基于FDM的3D打印機，较常见的有XYZ三坐标型、极坐标型和“三角洲”并联臂结构三种结构类型。市面上，淘宝和京东等网上商城里可以很方便的购买到各种3D打印机，价格从几百到数万不等。这些3D打印机大体上可以分为两类，低端为经济型基于FDM技术的3D打印机，中高端为工业型基于FDM技术的3D打印机。

根据数据采集调查的结果，下面举例说明如若购买这些3D打印机回来，组装调试后打印产品，可能存在的几类问题：

（1）打印精度较低，且难以保证。经济型3D打印机，多数厂家的机器参数写的是打印精度可达到0.1-0.4mm。实际打印时，打印精度较多的依靠安装调试人员、打印操作人员的技术水平，甚至靠运气。一旦打印精度偏离精度要求，不像传统机床一样，有完备的一套精度检测方法和合适的测量工具，更没有完备的调整精度的措施。因此实际打印过程精度较低，一般偏向于0.4mm的较低值，甚至往往达不到。即使价格较高的工业型3D打印机，相当一部分也可能难以保证精度能稳定的保证在0.1mm以上。

（2）常见3D打印机的送料机构，使用的耗材是塑料

丝。大多采用摩擦轮利用摩擦力送料，这难免会有误差。

（3）而送入喉管加热区的塑料丝，已经被融化的部分不被后来的塑料丝挤入而产生返流，依靠的是铁氟龙管的特殊性能。这种设计虽然也可以得到一定的精度，但听起来就是一种模糊计算。

（4）铁氟龙管和喉管之间是有缝隙的，间隙处导热慢，在打印开始之后很长时间都处于固态，所以一直挤不动。如果缝隙过大，会造成堵头，挤出头有很多种结构，但堵头原因大多是因为如此。

针对以上提出的问题，我们在此提出基于FDM技术的3D打印机成型精度的总体研究思路，以确保基于FDM技术的3D打印机的成型精度。从结构设计、技术规范上解决其打印产品质量不稳定的情况。

针对上述问题1，即基于FDM技术的3D打印机精度不高，且难以保证的问题。经济型3D打印机精度问题的首要原因在于其大多是简单的拼接结构，要求用户自己组装。这些零件之间的组装方法，大多过于简易。这些组装方法可能存在松紧上的难以把握，导致零件间的间隙存在和相对位置关系难以保证等情况，造成3D打印系统的累计误差。相当多的经济型3D打印机，较多的零部件，尤其是框架部分采用的是称为亚克力的一种塑料材质。这种塑料件在安装和使用过程中，一旦受力较大或者温度变化较大，就会发生变形。毫无疑问，作为机架部分，是整个机器其它零部件安装定位的基准，易发生变形，使得3D打印机的精度更难以得到保证。对于工业型3D打印机，零件之间的配合关系、系统结构的刚度等情况有较大的改观，但是如同经济型3D打印机一样，都存在安装、调试和使用过程中，对精度的检验、调试及机器的修理缺少完备的技术规范和措施的情况。为解决改善这个问题，其中的一个研究方向是，针对3D打印机同样作为可以生产产品的工作母机，在机器结构和工作原理上与传统的通用型机床有很多相通之处，可以借鉴这些传统机床成熟的技术规范和行业标准，以研究确保传统机床加工精度相关技术措施的视角，来研究如何确保3D打印机的成型精度。

作为此研究思路的举例说明，有一种基于FDM技术的龙门式XYZ三坐标型3D打印机，主要结构为龙门式框架，横梁可在垂直方向上下移动，打印机喷头、挤出机构和送料机构安装在横梁上可沿着横梁左右移动，打印平台在挤出头下方可做前后移动。这种机器机构和某种固定式龙门铣床非常类似，因此GB/T 19362《龙门铣床检验条件 精度检验》等相关的国家标准和行业标准就可以拿来借鉴参考，找出提高基于FDM技术的3D打印机成型精度的技术措施。

针对上述问题2、问题3、问题4，原因主要可以归纳为，当前在设计基于FDM技术的3D打印机的送料机构和挤出机构时，没有针对打印耗材为熔融材料（例如塑料）这一特点，采取更实用、更好的工艺措施。因此，本文提出的研究思路为传统工业技术中塑料成型和注塑模设计领域有较多的成熟经验可以参考和借鉴。机械行业标准JB/T 7267-2004《塑料注塑成型机》虽然已于2017年被废止，但是仍有一定的参考意义，目前该标准无新的替代标准出台，所以可以参考此类技术现行的一些企业标准。此外在塑料注塑成型方面，诸如GB/T 17037.1-1997《热塑性塑料材料注塑试样的制备 第1部分：一般原理及多用途试样和长条试样的制备》、GB/T 17037.4-2003《塑料 热塑性塑料材料注塑试样的制备 第4部分： 模塑收缩率的测定》等相关现行国家标注或行业标准都可以被借鉴。

4 基于FDM技术3D打印机成型精度的研究方法和技术路线

不论是借鉴传统工业中的金属切削机床或是注塑机的塑料成型，现有的成熟的技术规范和技术标准都是有参考价值的技术资料。在比对基于FDM技术的3D打印机和金属切削机床或是注塑机的结构相似处与不同之处的基础上，结合现有的技术标准和技术规范，查找误差形成的原因和提高精度的方法。在此基础上，本论文提出的研究思路下，研究方法为在分析理清3D打印机误差形成原因和如何提高精度等问题后，对系统结构原理和部分零部件进行优化设计。

具体来说，通过研究基于FDM技术3D打印机的工作原理、系统结构、零部件结构、切片软件、实际打印过程、产品精度检测、误差分析、基于FDM技术的3D打印机结构与机床结构优化性比较分析、基于FDM技术的3D打印机结构与注塑机结构优化性比较分析，最终提出改进性方案和意见。通过借鉴机床结构原理和注塑机结构原理中的成熟技术和经验，提出若干技术规范要求，重新设计部分零部件，改进系统组成结构和运行原理。从改进基于FDM技术的3D打印机设计方案和定制其若干安装、调试和修理的技术规范的方法上，实现提高基于FDM技术的3D打印机打印精度的目标。

具体来说，针对经济型基于FDM技术的3D打印机和工业型基于FDM技术的3D打印机的结构和工作原理可能有所不同的角度，分别选择其有代表性的机器结构类型，可以拟定基于FDM技术3D打印机成型精度的研究技术路线，如图1所示。

5 此种基于FDM技术3D打印机成型精度研究思路的意义

以机床结构设计的角度来看待和优化基于FDM技术的3D打印机，是一种创新性思维。以注塑机结构设计的角度来考虑基于FDM技术的3D打印机中的挤出机构和送料机构，力求去除模糊化设计，精确性的保证3D打印机的打印精度，也是一种创新性思维。而让3D打印技术与传统工业技术更紧密的结合，从传统工业技术中吸收借鉴好的经验和成果，确保并提高3D打印机的成型精度，是一种具有可行性的研究思路。

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