改善教学中桌面式FDM打印制件质量的探讨

大连市轻工业学校 辽宁大连 116000

随着国家装备制造业的不断发展，新技术的应用越来越广泛。3D打印技术，作为先进的加工和制造技术，众多企业为了节约成本，提高工作效率，纷纷引进3D打印设备，企业的人才需求缺口也越来越大。针对此情况，中职院校纷纷开设3D打印课程，培养面向企业需求的技能型人才。FDM打印技术作为3D打印技术的一种，具备成型工艺简单、生产成本低、生产周期短、方便快捷等优点，无需机械加工就能直接从计算机图形数据中生成任何形状的零件，因此桌面式FDM打印设备也是职业院校开设3D打印课程所采用的主要设备之一。

1 FDM打印技术

FDM打印技术，即熔融沉积成型（Fused Deposition Modeling）技术，3D打印技术的主要类型之一。所谓3D打印技术，是一种以3D 设计模型文件为基础，运用不同的打印技术、方式使特定的材料，通过逐层堆叠、叠加的方式来制造物体的技术。近年来，3D打印技术发展迅速，打印设备制造技术、打印材料功能及设计成型软件等方面的探索研究逐步成熟。FDM打印技术主要的打印材料为塑料，中职院校的桌面式FDM打印设备材料以PLA或ABS为主，以丝盘状供应。材料在喷头内加工融化，加工中喷头按零件截面轮廓和填充轨迹运动，并将融化的材料同时挤出，材料迅速冷却凝固，并与周围截面材料粘接。每一个轮廓截面被称为切片，逐层加工，上一层切片对当前切片起定位和支撑作用，层层累积加工制造实体零件。相对于传统的加工制造，FDM打印技术属于增材制造，是一种“自下而上”的加工方式[1]。

2 教学中打印制件缺陷分析

桌面式FDM打印机，与传统的加工设备相比较，制件的精度与成型质量也是制约着FDM打印技术应用的关键所在之一。在实践操作过程中，桌面式FDM打印机打印出来的制件具备着明显的缺点，主要表现为：（1）尺寸精度低。制件的尺寸精度是衡量加工质量的最重要指标，直接影响着制件的合格率。职业学校采购的桌面式FDM打印设备，虽然理论上精度能达到0.1mm左右，然而在实际加工中，综合各种加工因素影响后学生加工的制件精度往往达不到要求。在中职学校教学中，开设3D打印课程的往往是加工制造类专业，学生具备一定加工经验，因而学生在制件尺寸精度上与传统机械加工出来的零件相比中，明显能感觉到差距。（2）几何精度低。生产中，零件的质量不光要保证尺寸精度，还要保证几何精度，即圆度、圆柱度、平面度等。在使用桌面式FDM打印机的过程中，制件易出现翘曲、错位、扭曲等加工异常现象。（3）表面质量差。表面质量差主要表现在两方面，一是加工中存在拉丝的现象，一是由支撑部分引起的。拉丝是材料在喷头停止挤出后，仍有部分融化材料受重力影响流出，附着在外表面。支撑是在打印过程中为了平衡结构而打印的，后期去除、打磨、抛光等过程会影响表面质量。另外，切片处理引起的原理性误差，造成“台阶效应”的存在，也大大降低零件的表面质量，尤其在曲面曲率变化大的模型表面更为明显[2]。

3 教学中打印制件质量改善策略

影响桌面式FDM打印机制件成型精度及质量的因素很多，如CADCAM导致的误差、切片处理引起的原理性误差、FDM成型系统误差、打印材料收缩导致的误差等。为了提高职业教育课堂教学质量，有效改善学生打印制件的质量，可从三个方面进行着手：（1）成型前，合理建模，优化切片。在教学过程中，指导学生合理建模，尽可能规避倾斜面、曲面的设计，设置合理的切片厚度，消除因切片原理误差导致的轮廓不清晰现象，降低“台阶效应”的负面影响。虽然切片厚度越小，得到的制件质量越高，但打印层数成倍的增加会造成打印材料及打印时间的增加。同是，在切片过程中，尽量使制件模型开口端朝上，封闭端朝下，模型的摆放方式应在牢固稳定的基础上尽可能减少支撑的产生，调试支撑密度，尽量把支撑密度调小，10%为合适，便于拆除支撑，提高制件表面质量。（2）成型过程中，结合制件尺寸、形状合理选取工艺参数。影响桌面式FDM打印设备打印制件质量的成型参数有很多，指导学生操作时应综合考虑合理搭配参数。成型前指导学生调整工作台和喷嘴距离，喷嘴温度加热，ABS加热到230℃左右，PLA加热到220℃左右。工作台预热时，ABS打印工作台温度应该在110℃左右，PLA打印工作台温度应该稳定在55℃左右，同时可在工作台上辅以高温胶带或胶水辅助固定。控制耗材流量，防止积削的产生，防止在喷头加工路径上产生阻力。尽可能综合优化参数，降低翘曲、错位、扭曲等现象，也优化成型表面质量。（3）成型后，合理进行后处理。拆除支撑后，与支撑相连接的成型表面打印质量很差，为了提高制件表面质量，可以用打磨工具稍微修整，然后用毛巾沾丙酮或氯仿溶液擦拭处理。注意戴手套，不要擦拭时间过长以免影响模型外观和尺寸[3]。

4 结语

中职院校的教育就应该与时俱进，探索新知识，接触新技术，面向行业发展、企业需求培养高素质人才。FDM打印是近年来飞速发展的3D打印中的一种类型，桌面式FDM打印设备也在各职业院校在开设3D打印课程中时常应用。作为职业教师，在教授学生职业技能的前提下，也应该注重学生职业素质的培养，培养学生追求高品质产品信念，培养学生发现问题、解决问题的能力。当然，作为新技术，FDM打印技术仍然有不够完善的地方，制件质量仍有可提升的空间，仍需要对相关技术工艺及设备不断的研究和优化。