熔融沉积3D打印成型缺陷研究与对策

傅洁琼

摘要：熔融沉积（FDM） 3D打印是目前应用范围较广的一种成型技术。但是制约这一成型技术发展的主要瓶颈在于打印精度、成型材料和产品成本。FDM在成型过程中会出现一系列的影响其外观和尺寸精度的问题，诸如成型件拉丝、出现孔洞或者缝隙、填充不牢固、层错位等。本文针对打印产品存在外观和尺寸精度的问题，找出相关的原因，并提出切实可行的对策。

关键词：FDM成型；打印精度；打印温度

中图分类号：TH362 文獻标识码：A 文章编号：2095-6487 （2018） 01-0024-02

0 引言

丝状材料选择性熔覆（简称FDM）主要是通过供丝机构送进喷头，在喷头中加热到熔融态，熔融态的丝状材料被挤压出来，按照计算机给出的截面轮廓信息，随加热喷头的运动后逐层堆叠固化来构成三维产品的。此种方法在打印成型过程中会出现不同的成型缺陷，下面针对不同的缺陷提出相应的对策。

1 产品拉丝或垂料

当打印件上残留细小的塑料丝线，则发生了拉丝。通常，这是因为当喷嘴移到新的位置时，塑料从喷嘴中垂出来了。解决拉丝问题，最常用的方法是“回抽”。如果回抽是开启的，那么当挤出机完成模型一个区域的打印后，喷嘴中的线材会被回拉，这样再次打印时，塑料会被重新推入喷嘴，从喷嘴顶部挤出。解决拉丝的主要对策有回抽距离、回抽速度、温度和悬空移动距离的设置[1]。

1.1 回抽距离

回抽最重要的设置，是回抽距离。它决定了多少塑料会从喷嘴拉回。一般来说，从喷嘴中拉回的塑料越多，喷嘴移动时，越不容易垂料。大多数直接驱动的挤出机，只需要0.5～2.Omm的回抽距离，然后一些波顿（Bowden）挤出机，可能需要高达15mm的回抽距离，因为挤出机驱动齿轮和热喷嘴之间的距离更大。如果打印件出现拉丝问题，可以增加回抽距离，每次增加lmm，观察改善情况。

1.2回抽速度

下一个回抽相关的设置，是回抽速度。它决定了线材从喷嘴抽离的快慢。如果回抽太慢，塑料将会从喷嘴中垂出来，进而在移动到新的位置之前，就开始泄漏了。如果回抽太快，线材可能与喷嘴中的塑料断开，甚至驱动齿轮的快速转动，可能刨掉线材表面部分。当回抽速度介于1200～6000 mm/min（20～100 mm/s），回抽效果会比较好.一般的软件有默认配置数值，这个数值可以作为参考基础，来确定最佳的回抽速度，让打印的效果最好。但是，最理想的数值，需根据实际使用的材料做多次试验，来确定合适的速度。

1.3温度太高

如果回抽距离和回抽速度设置都合理的话，导致拉丝问题的因素可能是挤出机温度。如果温度太高，喷嘴中的塑料会变成非常粘稠，进而更容易从喷嘴中流出来。如果温度太低，塑料会保持较硬状态，而难以从喷嘴中挤出来。如果确认回抽设置是正确的，但是打印仍然出现拉丝问题，可以尝试降低挤出机温度，降低5～10℃。对打印质量有显著改善效果。

1.4悬空移动距离太长

拉丝发生在挤出机在两个不同位置间移动过程中，是塑料从喷嘴中垂下来的一种现象。短程移动足够快，塑料没有时间从喷嘴中重落下来；而大距离的移动出现拉丝机率更大。因此需要开启自动调整移动路径的智能设置，来保证喷嘴悬空移动的距离最短。有了特性的设置，喷头都可以找到合适的路径，以此避免悬空移动很远，这样减少了拉丝的可能性。

2 层开裂或断开

3D打印件结实可靠，需要确保每层充分地与它下面的层粘合。如果层与层之间不能很好地粘合，最后打印件可能开裂或断开。对于此现象的产生典型原因是打印设置的层过高或者是打印温度过低。

2.1层高太高

多数3D打印机喷嘴直径都在0.3～0.5 mm之间。塑料从这个很小的孔中挤出，形成非常细的挤丝，进而构建细节丰富的打印件。然而，这些小喷嘴也会导致层高的限制。当在一层上打印另一层塑料，需要确保新的层被挤压到下面那层上，从而使两层可以粘合在一起。一般来说，需要确保选择的层高比喷嘴直径小20%。例如，如果喷嘴直径是0.4mm，那使用的层高不能超过0.32mm，否则每层上的塑料将无法正确地与它下面的层粘合。所以，如果发现打印件开裂，层与层之间没能粘合在一起，首先需要检查层高与喷嘴直径是否匹配。可以试着减少层高看是否能让层粘合得更好。

2.2打印温度太低

如果发现层与层之间不能很好粘合，并且确定层高设置合理，那么可能是线材需要以更高的温度来打印，以便更好地粘合。例如温度在190℃，打印ABS塑料，层与层之间很容易分开。这是因为ABS塑料一般需要在220～235℃时打印，以便层之间有力地粘合。所以对于不同的丝材，必须要使用正确的打印温度。对于过冷的打印温度可以尝试增加温度，每次增加10℃，来看看粘合是否有所改善。

3 细节打印不出来

打印机都有一个固定尺寸的喷嘴，可以精确地打印出非常细微的细节。一般打印机，装有0.4mm直径开孔的喷嘴，在打印许多产品时，它的精度是够用的，但是在打印极为细小，以至于比喷嘴直径还小的细节时，就会遇到打印细节不完整的问题。这是因为用0.4mm的喷嘴，打印0.2mm的薄壁时，无法从0.4mm的挤出机中精确地产生0.2mm的挤出丝，挤出丝宽度总是比喷嘴直径大或者相等。在软件中打开“打印预览”时，会发现软件删除了细微的特征。软件以这种方式告知无法使用打印机上安装的喷嘴，打印这种太细微特征。如果一定要打印出细微的细节，有下面几种策略可以参考。

3.1 重新设计有薄壁的模型

最直接的方法是重新设计模型，使其只包含比喷嘴直径大的特征，通常这涉及到编辑CAD文件中的3D模型，以修改细微特征的尺寸。当你增加细微特征的厚度之后，可以重新导入模型到软件中，来检查预览打印机是否能打印创建的3D形状。

3.2安装开孔直径更小的喷嘴

多数时候，没有办法或者不能变更编辑原始3D模型。此时，可以考虑给打印机配第二个喷嘴，以便打印细微特征。多数打印机，喷嘴都是可以拆卸的，这样方便用户根据产品的打印细节需求更换相应的喷嘴。

4 挤出不稳定

打印高精度的打印件，需要挤出机能稳定挤出塑料。在打印件的不同部分，挤出丝有变化，这将影响最终的打印质量。通过仔细地观察打印过程，可以识别出挤出不稳定的问题。例如：如果打印机打印一个长20mm的直线，如果发现挤出丝凹凸不平，或者尺寸好像有波动，那你可能遇到了挤出不稳定问题。

4.1 线材被卡住或缠绕在一起

首先检查打印机的供料耗材卷，确保耗材卷是可以顺畅转动的，塑料线材能轻松地从卷上拉出来。如果线材是混乱的，或者耗材卷自由转动的阻力太大，这将影响顺畅地从喷嘴中挤出。如果你的打印机上安装了波顿（Bowden）管，需要检查线材是否能顺畅地穿过管子，如果管中的阻力太大，需要試着清理一个管子，或在管中加一些润滑。

4.2堵头

如果线材没有被卡住，能很轻松地推进挤出机，那么有可能有一些细小的碎片，或外来物进入喷嘴，阻止了正常的挤出。测试这一可能性的简单方法是，使用设备控制面板从喷嘴中手工挤出一些塑料，观察确保塑料挤出是连续和稳定的。如果发现问题，需要联系打印机提供商来获得清时喷嘴内部的正确方法清。

4.3层高太小

如果线材转动顺畅，挤出机没有堵，检查一下软件中的一些设置。例如是否打印非常小的层高，如0.01mm，这时将只有很小的空间供塑料挤出喷嘴。喷嘴下方只有0.1mm的间隙，这意味着塑料可能很难挤出。如果使用了非常小的层高在打印，试试增加层高，看问题是否解决了。

4.4错误的挤出丝宽度

需要检查的另一个设置是挤出机的挤出丝宽度。每个挤出机都有自己单独的挤出丝宽度，所以确保从列表上选择相应的挤出机，来查看设置。如果挤出丝宽度确实小于喷嘴直径，可能导致问题。一般来说，挤出丝宽度需要是喷嘴直径的100%—150%。如果挤出丝宽度远比喷嘴直径小，挤出机将无法稳定地挤出耗材。

4.5耗材质量太差

另一个与挤出不稳定相关因素是所使用的线材的质量。质量差的线材，可能包含其它添加剂，影响挤出的稳定性，也可能是线材的直径不稳定导致挤出不稳定。另外很多塑料时间一长都有降解的趋势。如PLA倾向空气中的水分，这将导致打印质量下降。如果耗材有问题，试着更换一卷新的、没有拆包的、高质量的耗材，看问题是否可以解决。

4.6挤出机机械故障

如果排除了以上所有情况，但仍然有挤出不稳定的问题，那么可能需要检查挤出机是否有机械故障。例如很多挤出机使用带有尖利齿的驱动齿轮，齿轮咬入线材，使挤出机前后抽拉线材更容易。这种挤出机通常可以调节齿轮对线材的压力。如果设置得太松，驱动齿轮将无法足够深地咬入线材，会影响挤出机精确控制线材位置的能力。那么可以咨询打印机提供商确认打印机是否也有类似调节机制。

5 结论

以上总结了几个常见打印缺陷的原因及对策，在打印过程中，对于遇到具体的问题，需要仔细观察和分析找到相应的原因，以便采取正确的对策。

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.

[2] 刘洋子健，夏春蕾，张均，等.熔融沉积成型3D打印技术应用进展及展望[J].工程塑料应用，2017 （3）：130-133.