周名偵 黃健霏 余金榮

摘 要：本文根據(jù)需要打印的實(shí)體工件，建立模型，并對(duì)模型的主要工藝參數(shù)進(jìn)行分析，推導(dǎo)出來(lái)層高、打印速度和打印溫度等主要打印工藝的數(shù)值。通過(guò)計(jì)算機(jī)與3D打印機(jī)建立熔融沉積的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，規(guī)劃打印路徑，優(yōu)化熔融沉積打印機(jī)參數(shù)方案，不斷實(shí)驗(yàn)得出最優(yōu)組合，并驗(yàn)證了參數(shù)分析和優(yōu)化結(jié)果的準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞：熔融沉積；3D打?。粌?yōu)化算法

中圖分類(lèi)號(hào)：TH162 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）05-0053-02

0 前言

現(xiàn)在3D打印作為新型數(shù)字化制造技術(shù)已經(jīng)有了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，其相當(dāng)于一臺(tái)三軸的數(shù)控加工機(jī)床，但是和傳統(tǒng)的加工方式不同，其是計(jì)算機(jī)控制下進(jìn)行逐層堆積進(jìn)而獲得實(shí)體產(chǎn)品。現(xiàn)在3D打印技術(shù)發(fā)展迅速，桌面級(jí)的3D打印機(jī)已經(jīng)逐漸普及了起來(lái)，提高打印精度勢(shì)在必行。相同硬件的熔融堆積3D打印機(jī)在不同參數(shù)設(shè)置情況下會(huì)獲得到截然不同的精度。文章對(duì)熔融沉積3D打印機(jī)工藝參數(shù)進(jìn)行分析建模并通過(guò)正交試驗(yàn)來(lái)獲得參數(shù)對(duì)精度影響的最優(yōu)組合方式。

1 熔融沉積3D打印機(jī)工作原理

熔融沉積成型工藝使用的材料是熱塑性材料，熔點(diǎn)在100到300攝氏度之間，一般是PLA或者尼龍等，材料通過(guò)送料機(jī)給進(jìn)，之后在噴頭處受熱融化并擠出，噴頭沿著工件的外截面輪廓和內(nèi)部填充軌跡進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的同時(shí)材料發(fā)生固化并和已經(jīng)有的材料粘結(jié)堆積，獲得實(shí)體工件。熔融沉積打印技術(shù)和其他3D打印技術(shù)相比較使用的材料是工業(yè)級(jí)熱塑料，獲得到的產(chǎn)品具有良好的耐熱性和耐腐蝕性，且內(nèi)部的機(jī)械應(yīng)力顯著較小。熔融沉積3D打印獲得到的產(chǎn)品有著較多的種類(lèi)和較強(qiáng)的成型強(qiáng)度，精度也很高，現(xiàn)在一半使用在概念模型和功能原型甚至是零部件生產(chǎn)過(guò)程中。

2 熔融沉積3D打印機(jī)參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)

對(duì)熔融沉積3D打印機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)，運(yùn)用正交實(shí)驗(yàn)法來(lái)獲得較好的參數(shù)，和計(jì)算得到參數(shù)進(jìn)行比較驗(yàn)證。

2.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ徒?/p>

對(duì)試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行選擇建立的時(shí)候要遵循以下原則：試驗(yàn)?zāi)康脑谟隍?yàn)證3D打印機(jī)優(yōu)化情形會(huì)對(duì)產(chǎn)品精度產(chǎn)生的影響，所需要使用pro軟件來(lái)制造模型，設(shè)計(jì)出來(lái)同時(shí)具有平面斜面和曲面的模型，對(duì)其進(jìn)行建模分析并進(jìn)行精度測(cè)量。

2.2 工藝參數(shù)分析

根據(jù)試驗(yàn)平臺(tái)當(dāng)中上位機(jī)切片軟件的分析結(jié)果以及熔融沉積3D打印機(jī)的工藝參數(shù)進(jìn)行分析，得到影響加工精度的主要影響參數(shù)為層高、打印速度和打印溫度。

2.2.1 層高

層高的幾何意義在于對(duì)STL文件進(jìn)行切片的時(shí)候的間距數(shù)值，工藝意義是熔融沉積3D打印機(jī)噴頭走過(guò)一層的厚度。熔融沉積工藝進(jìn)行打印的過(guò)程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)層和層之間有著不連續(xù)現(xiàn)象，這一情況一般稱為階梯現(xiàn)象。層數(shù)越高的情況下就會(huì)有著越小的階梯現(xiàn)象，這樣的話會(huì)占用大量的打印時(shí)間，但是表面精度會(huì)明顯改善。層高參數(shù)和噴口的內(nèi)徑有著直接關(guān)系，同時(shí)也會(huì)受到機(jī)械結(jié)構(gòu)等因素的影響。實(shí)驗(yàn)室用的3D打印機(jī)是STD公司的第一代機(jī)器，噴口大小為0.5毫米，也就是說(shuō)層高限制為0.5毫米以下的時(shí)候才能確保層與層之間良好粘結(jié)。

2.2.2 打印速度

打印速度的改變會(huì)對(duì)加工效率產(chǎn)生直接的影響，在噴頭擠絲量和擠絲直徑一定的情況下也會(huì)影響到熔絲在加工表面上的精度。實(shí)際絲線基礎(chǔ)的長(zhǎng)度和理論長(zhǎng)度之間的夾角正切值等于直徑比上擠出速度和實(shí)踐的乘積，所以?shī)A角正切值最好是趨近于零，否則就會(huì)導(dǎo)致超出了理論長(zhǎng)度的絲線被噴頭擠壓進(jìn)而位移，導(dǎo)致輪廓出現(xiàn)十分明顯的誤差。對(duì)于打印速度進(jìn)行反復(fù)調(diào)整，每次打印長(zhǎng)度100毫米，對(duì)起始段和終端進(jìn)行測(cè)量，最后得到高度差最小的打印速度為35毫米每秒左右。

2.2.3 打印溫度

當(dāng)噴頭溫度過(guò)低的時(shí)候可能會(huì)出現(xiàn)材料不能粘結(jié)到熱床上的問(wèn)題，還可能會(huì)出現(xiàn)層間剝離的問(wèn)題，與此同時(shí)經(jīng)常會(huì)伴隨著噴嘴堵塞的問(wèn)題，不僅僅帶來(lái)精度較低的問(wèn)題，還會(huì)降低產(chǎn)品的安全系數(shù)。噴頭溫度過(guò)高的時(shí)候就會(huì)導(dǎo)致材料擠出的時(shí)候基本是液態(tài)，這就會(huì)導(dǎo)致材料難以控制，成型過(guò)程就會(huì)產(chǎn)生形變，最后獲得的產(chǎn)品精度很低。根據(jù)PLA溫度性能指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，得到最適合打印的溫度在175到220攝氏度之間。

3 填充路徑規(guī)劃

填充路徑規(guī)劃是一個(gè)合理的規(guī)劃，填充了層間夾縫閉合面積的填充順序，在本文的交叉處，有一個(gè)內(nèi)輪廓的平行掃描，并對(duì)影響平行掃描質(zhì)量和效率的主要因素的掃描方法進(jìn)行了優(yōu)化。掃描線角度、子區(qū)域組合、區(qū)域級(jí)打印順序的優(yōu)化，決定了三維打印的效率和精度。

3.1 掃描線角度的最佳選取

從選擇的角度來(lái)看，這條線是非常重要的，一般都是平行的直線，而他的路徑，在每一條線掃描打印頭運(yùn)動(dòng)后，直到不驚嚇，掃描掃描打印線，在的打印過(guò)程中的起點(diǎn)和打印頭，反復(fù)啟動(dòng)，你就必須不斷出現(xiàn)，不能在交通中，這樣容易變形等情況下，為了減少這些問(wèn)題，掃描時(shí)，有必要繞過(guò)拐角，平行減少入射，但主要是對(duì)拐角處的視點(diǎn)和線進(jìn)行掃描。有一種關(guān)系。如圖1所示。

3.2 掃描區(qū)域的合并

掃描線角度確定后，掃描線與切片輪廓之間形成一些封閉區(qū)域。每個(gè)區(qū)域由一系列掃描線組成。每個(gè)區(qū)域包含四個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，即第一掃描線的起止點(diǎn)和最后一掃描線的起止點(diǎn)。在3D打印過(guò)程中，每個(gè)區(qū)域都需要逐個(gè)掃描。掃描策略是先掃描相鄰區(qū)域，然后掃描非相鄰區(qū)域和非相鄰區(qū)域。印刷噴頭需要進(jìn)行空行程運(yùn)動(dòng)，降低了效率。因此，在打印時(shí)，可以合并連續(xù)打印的相鄰區(qū)域。合并區(qū)域可以一次掃描，連續(xù)打印沒(méi)有空行。成運(yùn)動(dòng)。本文采用四點(diǎn)法對(duì)相鄰子區(qū)域進(jìn)行合并。四點(diǎn)法：如果一個(gè)子區(qū)域中最后一條掃描線的端點(diǎn)是另一個(gè)子區(qū)域中第一條掃描線的兩端之一，則可以將該端點(diǎn)作為另一個(gè)子區(qū)域的起點(diǎn)，合并兩個(gè)子區(qū)域。如圖2所示。

3.3 其他實(shí)驗(yàn)

除頭尾掃描外，還可以進(jìn)行角部沉積實(shí)驗(yàn)。角點(diǎn)數(shù)量越多，掃描區(qū)域越復(fù)雜，精度越低。同時(shí)，電機(jī)會(huì)在轉(zhuǎn)角處反復(fù)加速、減速或停止，這將導(dǎo)致部分打印時(shí)間顯著增加，因此實(shí)際的打印過(guò)程中盡量減少轉(zhuǎn)角的數(shù)量，這一過(guò)程對(duì)精度具有重要意義。掃描線段和橫截面之間有相同數(shù)量的拐點(diǎn)。根據(jù)掃描線段的角度，會(huì)有不同的拐點(diǎn)。假設(shè)掃描線寬度為0.4mm，則兩個(gè)截面輪廓選擇掃描線角度優(yōu)勢(shì)。得到了拐點(diǎn)數(shù)目與掃描線角度的一定關(guān)系。掃描線角度為0度時(shí)，拐點(diǎn)數(shù)目最小，掃描線角度為80度時(shí)，拐點(diǎn)古樹(shù)最大。為了達(dá)到應(yīng)力分散的效果，必須保證相鄰層之間的掃描線相互垂直，因此每?jī)蓪有枰匦逻x擇掃描線的角度。本文所提出的算法適用于面積填充掃描法，在實(shí)際使用過(guò)程中也可采用內(nèi)支撐空心掃描法。在確定掃描線段的角度后，掃描線與切片輪廓之間形成閉合區(qū)域。該區(qū)域是通過(guò)來(lái)回掃描線段獲得的。該區(qū)域有四個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，即第一掃描線和最后一掃描線的起點(diǎn)和終點(diǎn)。封閉環(huán)起始點(diǎn)確定確定起始點(diǎn)的原則是每個(gè)封閉環(huán)僅有一個(gè)起始點(diǎn)且各封閉環(huán)的起始點(diǎn)之間的距離最小，本文采用一種改進(jìn)的近鄰法確定起始點(diǎn)。假設(shè)截面輪廓包含n個(gè)封閉環(huán)，Loop={Loop1，Loop2，…，Loopn}，輪廓中所有封閉環(huán)由m個(gè)頂點(diǎn)構(gòu)成，頂點(diǎn)集為P={P1，P2，…，Pn}，任一封閉環(huán)的頂點(diǎn)集為Pi={Pi1，Pi2，…，Pikn}，其中m=k1+k2+…+kn，確定起始點(diǎn)的具體步驟如下：（1）取頂點(diǎn)集P中第1個(gè)頂點(diǎn)P11作為封閉環(huán)P1的起始點(diǎn)，令S1=P11，并將P1從P中去除。（2）依次求解頂點(diǎn)S1到P中各點(diǎn)的距離，將距離頂點(diǎn)S1最近的頂點(diǎn)Pij（1≤j≤ki）取出，令S2=Pij，并將Pi從P中去除。（3）按照步驟（2）的思路，依次求解頂點(diǎn)Si到P中各點(diǎn)的距離，找到距離頂點(diǎn)Si最近的頂點(diǎn)作為Si+1，依次遍歷所有的未訪問(wèn)封閉環(huán)頂點(diǎn)集，直到在P中的最后1個(gè)封閉環(huán)中找到Sn，依次求出S3，S4，…，Sn，可得起始點(diǎn)集C1={S1，S2，…，Sn}。（4）依次求解C1中相鄰兩點(diǎn)間的距離，并求和d1=S1S2+S2S3+…+Sn-1Sn+SnS1。（5）依次選取P中的頂點(diǎn)作為相對(duì)應(yīng)封閉環(huán)的起始點(diǎn)，按照步驟（1）～步驟（4）的思路，可依次求解出m個(gè)起始點(diǎn)集Cr，并求出相對(duì)應(yīng)的dr，其中，1≤r≤m。

4 結(jié)語(yǔ)

熔融沉積3D打印平臺(tái)在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中可以看出層高和打印速度以及溫度會(huì)對(duì)打印的精度有著十分明顯的影響，經(jīng)過(guò)正交試驗(yàn)對(duì)其主次順序和組合方式進(jìn)行分析確認(rèn)。首先初始化熔融沉積3D打印機(jī)和PC實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，隨后建立模型來(lái)進(jìn)行正交試驗(yàn)，使用極差分析法來(lái)獲得最優(yōu)組合參數(shù)，和先比交叉的組合參數(shù)進(jìn)行對(duì)比來(lái)證明優(yōu)化結(jié)果的可行性。實(shí)驗(yàn)表明正交實(shí)驗(yàn)法蝴蝶刀的分析結(jié)果和工藝參數(shù)分析的結(jié)果是相同的，確實(shí)改善了打印的精度，能夠?qū)に嚨膱?zhí)行產(chǎn)生良好的指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)

[1] 韓興國(guó)，宋小輝，殷鳴，等.熔融沉積式3D打印路徑優(yōu)化算法研究[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2018（3）393-401.

[2] 李吉康.熔融沉積式3D打印機(jī)噴頭結(jié)構(gòu)及常見(jiàn)問(wèn)題分析[J].南方農(nóng)機(jī)，2018（13）187.

[3] 周運(yùn)宏，夏新曙，楊松偉，等.PBS/PLA/滑石粉3D打印線材制備及熔融沉積成型工藝研究[J].中國(guó)塑料，2018（3）85-91.

[4] 管麗梅，苗昕揚(yáng)，詹洪磊，等.基于太赫茲技術(shù)的熔融沉積3D打印誤差分析[J].太赫茲科學(xué)與電子信息學(xué)報(bào)，2018，16（2）：218-222.

[5] 冉立紅，楊郝楠，李夢(mèng)茹，等.基于PLA材料的3D打印收縮率研究[J].石家莊學(xué)院學(xué)報(bào)，2018（3）26-30.

[6] 韓興國(guó)，李天明，崔立秀，等.一種懸臂式3D打印機(jī)器人的路徑規(guī)劃研究[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2018（3）135-139.