基于FDM 的3D 打印工艺实验研究

宋凤莲， 黄 亚， 盛宗建

（武汉大学 大学生工程训练与创新实践中心， 湖北 武汉 430072）

0 引言

3D 打印被称为“具有工业革命意义的制造技术”，是制造领域中一项正在飞速发展的新兴制造技术， 对现代制造业起着重要的引领作用[1-3]。 FDM（Fused Deposition Modeling），即熔融堆积成型，作为3D 打印的主流成型技术之一，因工艺环保，成本低，在教育、医学、建筑等领域带来了颠覆性的革命， 广泛被桌面级3D 打印机采用[4]。其原理是采用丝状材料作为原材料， 将加热的材料从喷头里挤出，在温度低于材料熔点的工作台上，迅速形成一层薄片轮廓截面，然后工作台下降一定高度（即层厚），在计算机控制下，喷头挤出材料并沿零件截面轮廓运动，同时与上一层挤出的材料粘接并在空气中迅速固化， 如此循环便可形成实体零件。

目前国内各高校大都开设了FDM 型3D 打印实验课，就调研情况看，实验人员对3D 打印设备工艺参数选择较为盲目，工艺参数对成型质量的影响知之甚少，成型件报废率高，大都是固定照搬照套，循环出错，大大降低了教学效果。因此，FDM 型3D 打印工艺实验研究尤为必要。

1 影响FDM 成型质量的工艺参数

影响FDM 成型质量的工艺参数有很多，如：打印温度、打印速度、摆放位置、壁厚、填充率、分层厚度及平台调平等，其中填充率、分层厚度可依据成型件的功能定位要求进行设置，而打印温度、打印速度、成型方向及壁厚这几个参数选择起来往往带有盲目性， 但又是决定成型质量的重要要素[5]。

2 FDM 成型工艺实验分析

2.1 喷头温度

喷头温度是指喷头在工作时的温度， 对成型过程影响很大，是决定喷头能否顺利挤出的非常关键参数，直接决定了材料的粘性、流速和宽度。 基于FDM 成型材料的不同物理性能， 喷头温度必须保持稍高于成型材料的融化温度，确保成型材料达到喷嘴时顺利熔化。喷头温度设置不合理，是无法成型的。最理想的情况是使料丝保持在熔融状态，即介于固态与液态之间，使其能正常工作均匀出丝。 如果喷头温度过低，造成料丝粘性不足，挤出速度慢，引起层间剥离，甚至可能导致料丝无法挤出；如果喷头温度过高，会造成材料偏向液态，流动性强，前一层还未冷却成型，后一层就堆积在它上方，形成坍塌导致无法成型[6-8]。

适用于FDM 成型材料通常使用生物可降解材料（PLA）和丙烯晴-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）。下面实验采用PLA（熔点180°C）打印空心杯进行实验研究，分析喷头打印温度与成型表面质量的关系，见图1 和表1。

图1 不同喷头温度下的3D 打印效果图

表1 不同喷头温度下的打印成型效果实验对比（设备型号Eazer）

实验研究表明，喷头温度高于熔点温度10℃以下时，打印成型质量差； 打印温度高于熔点温度20℃～50℃，随着喷头温度的提高表面质量随之提高； 当温度升高至一定温度时，打印成型质量反而下降，直至停机。

2.2 成型方向

3D 打印成型的本质是分层制造，逐层叠加，在逐层堆积的三维模型表面不可避免会出现分层的痕迹，影响成型质量。 分层痕迹不仅与分层厚度有关，还与模型的摆放位置有关，摆放位置直接影响到支撑的设置、剥离的难度、打印时间及耗材的多少[9-11]。 图2 展示出了不同成型方向，表2 列出了不同摆放位置及3D 打印成型的技术经济性。

图2 三维模型风扇不同成型方向

图3 风扇不同方向的成型预览

表2 不同成型方向3D 打印的技术经济性

由表2 可见，方案a 轴线水平，双叶片朝下，省材省时，成本低，支撑少，易剥离，后处理少，表面质量有保障；方案b 及方案c 支撑多， 后处理量大， 且扇叶作为重要表面，支撑剥离后经后处理，扇叶表面质量往往难尽人意。

因此，选择成型方向设计摆放模型时，须充分考虑支撑结构的合理设置，减小支撑结构与零件的接触面积，选择支撑结构少和去除容易的成型方向。 表面质量要求高的面不宜放在与打印平台平行的位置。

2.3 模型的最小壁厚

FDM 型3D 打印机对打印模型的最小壁厚有一定的要求。 利用材料PLA，喷嘴直径0.4，分层厚度0.25，打印最小壁厚分别为0.5mm、1.0mm、1.5mm 的空心杯，成型效果见图4。

图4 不同壁厚3D 成型效果图

实验表明， 壁厚为0.5mm 的模型出现了破口和裂纹，壁厚为1.0mm的模型裂纹明显， 壁厚为1.5mm 的模型表面质量完好。为了保证成型质量，设计空心壳体模型时最小壁厚不宜低于喷嘴直径的3 倍。

2.4 基座打印速度

打印速度是指喷嘴出丝时打印头在电机驱动下的移动速度。3D 模型打印时，如果模型与工作平台接触面小，需设置基座，提高成型的稳定性与牢固性。基座打印速度的大小直接影响到模型基座在工作台上是否平整粘结牢固，如速度控制不到位，将导致出料不均匀致使多料或缺料[12]，影响到模型的后续成型质量。 如果速度过快则会造成喷嘴供料不足，使料丝被拉细，影响片层的填充，严重时还会产生断层，不但降低了成型精度，还会影响制件的力学性能。基座如有翘边或裂纹，模型的后续成型质量无法保证，打印需要及时终止。

如图5 所示，打印速度在40m/s～20m/s，基座与工作台的粘结情况。

图5 不同打印速度的基座成型效果图

表3 不同速度下的基座成型效果对比

实验表明：图5（a）基座翘边很多，随着打印速度的降低，图5（b）翘边现象逐渐改善，当基座打印速度降低至20m/s 时，基座与工作平台粘结越牢固平整，基座成型质量满足要求，为后续的分层成型夯实根基。

3 结束语

以上实验研究采用的是单喷头喷嘴直径0.4，PLA 材料及EAZER 设备打印， 实验分析了影响FDM 成型质量的工艺参数：成型方向、喷头温度、模型的最小壁厚、 基座打印速度，探讨了提高成型质量、提高成型效率及降低废品率的方法。 利用ABS 材料及软性TPU 材料，如何对多喷头的打印成型工艺参数进行优化配置， 是未来值得研究的课题。