毛飛龍，王小亮，許寶卉，張 潔，尹恩攀

(1.運(yùn)城學(xué)院 機(jī)電工程系，山西 運(yùn)城 044000；2.運(yùn)城學(xué)院 體育系，山西 運(yùn)城 044000)

0 引言

3D 打印是一種增材制造，根據(jù)三維模型數(shù)據(jù)進(jìn)行離散化/切片，計(jì)算出每種產(chǎn)品的數(shù)千個橫截面，確定每層的構(gòu)造方式，通過層堆的方式直接制造出各種結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品[1]。3D打印技術(shù)分為熔融沉積成形技術(shù)(FDM)、分層實(shí)體制造技術(shù)(LOM)、光固化立體成形技術(shù)(SLA)、激光選區(qū)熔化技術(shù)(SLM)、金屬激光熔融沉積技術(shù)、電子束選區(qū)熔化技術(shù)(EBSN)和電子束熔絲沉積成形技術(shù)等[2,3]。3D打印技術(shù)以其具有的數(shù)字化、智能化、個性化優(yōu)勢特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)制造、生物醫(yī)學(xué)、建筑工程、教育教學(xué)等各個領(lǐng)域，并發(fā)揮著巨大的作用[4-10]。

在打印技術(shù)及應(yīng)用研究方面，程睿[11]綜述了3D打印在柔性塑料加工應(yīng)用的最新研究成果，尤其在柔性聚乳酸塑料、柔性聚氨酯塑料、柔性聚酰胺塑料及其他柔性塑料加工方面的應(yīng)用現(xiàn)狀；劉秀娟等[12]介紹了3D打印一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在不同領(lǐng)域產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用實(shí)踐情況；畢永豹等[13]研究了填充密度、層厚、打印速度等工藝參數(shù)對3D打印制品的密度、打印時間、彎曲強(qiáng)度、彎曲模量和動態(tài)力學(xué)性能等方面的影響；張明悅等[14]研究了不同打印平面和打印角度對成型試樣力學(xué)性能的影響。在教育教學(xué)研究方面，長江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院以模具專業(yè)的3D打印技術(shù)課程為研究對象，探索理論與實(shí)踐一體化教學(xué)工作的教學(xué)設(shè)計(jì)的可行性[15]；福州船政交通職業(yè)學(xué)院探討了在工業(yè)設(shè)計(jì)專業(yè)的工業(yè)產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)課程中將CAD三維建模與3D打印技術(shù)相結(jié)合的教學(xué)實(shí)踐，增強(qiáng)了學(xué)生在產(chǎn)品設(shè)計(jì)創(chuàng)新性、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理性方面的核心競爭力[16]。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士以微納米調(diào)料改性聚合物為原材料，利用擠出式3D打印設(shè)備來制備不同功能特性的納米復(fù)合材料，研究了所制備的復(fù)合材料的性能[17]。

本文以運(yùn)城學(xué)院地標(biāo)建筑子夏樓為目標(biāo)，采用三維建模軟件UG NX構(gòu)建子夏樓簡易模型，并對模型進(jìn)行分割及3D打印，旨在研究3D打印過程中工藝參數(shù)對打印質(zhì)量的影響，并以子夏樓模型為載體，提煉3D打印成型過程的關(guān)鍵控制參數(shù)。

1 子夏樓簡易模型的建立

圖1為運(yùn)城學(xué)院圖書館子夏樓實(shí)景圖。采用百度地圖軟件工具箱中的測距功能，結(jié)合實(shí)地丈量、比例換算等方法，獲得了子夏樓的近似尺寸。采用三維建模軟件UG NX，根據(jù)獲得的數(shù)據(jù)，建立子夏樓三維模型。為了使子夏樓模型能夠以實(shí)物方式呈現(xiàn)于桌面，對子夏樓三維模型進(jìn)行了相應(yīng)的比例縮小，進(jìn)而獲得子夏樓簡易模型，其整體尺寸(長×寬×高)為570 mm×250 mm×400 mm，如圖2所示。

圖1 子夏樓實(shí)景圖 圖2 子夏樓簡易模型

2 子夏樓簡易模型的物理分割

子夏樓建筑體由4大部分組成，分別為A、B、C、D座，其俯視布局圖如圖3所示。受實(shí)驗(yàn)室3D打印機(jī)打印范圍限制，按照“分座分割—層層分割-特征分割”的物理分割原則，將子夏樓簡易模型總體分割為A、B、C、D四大部分，每一部分又按層分割為若干個小部分，每小部分又根據(jù)特征分割為可用于打印的一個個小零件體，由此獲得了約150個最小單元體。

圖3 子夏樓俯視布局圖

3 3D打印流程及參數(shù)設(shè)定

3D打印的主要流程包括四部分，即模型構(gòu)建、切片處理、打印過程和打印后處理。

3.1 模型構(gòu)建

模型構(gòu)建是采用三維繪圖軟件對所要打印的實(shí)體進(jìn)行實(shí)體建模，以形成數(shù)字模型文件。對子夏樓采用三維軟件UG NX建模，并將物理分割完成后的每個零件轉(zhuǎn)化為.STL數(shù)字模型文件。

3.2 切片處理

子夏樓簡易模型的切片處理均采用Ultimaker公司設(shè)計(jì)的切片軟件Cura15.04.6完成，其界面具有人性化強(qiáng)、易操作等特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)對3D模型在瀏覽區(qū)的翻轉(zhuǎn)、平動、打印參數(shù)設(shè)定等工作。以子夏樓C座一層模型為例，將模型導(dǎo)入該軟件并調(diào)整完模型放置位置后的界面如圖4所示。

圖4 切片軟件Cura導(dǎo)入模型的界面

3D模型導(dǎo)入切片軟件調(diào)整好位置后，需設(shè)定切片處理的參數(shù)，如層厚、壁厚、填充密度和支撐類型等；隨后，需結(jié)合3D打印機(jī)的情況設(shè)定打印參數(shù)，相關(guān)參數(shù)設(shè)定如表1所示。

表1 切片及打印參數(shù)設(shè)定

參數(shù)設(shè)定完成后，將3D模型數(shù)字文件另存為3D打印機(jī)可讀取的.gcode文件，將該G文件通過切片軟件聯(lián)機(jī)發(fā)送至3D打印機(jī)即可進(jìn)行打印，或者存入U(xiǎn)盤直接插入3D打印機(jī)的USB接口即可進(jìn)行打印。

3.3 打印過程

子夏樓簡易模型中所有零件的3D模型均采用基于FDM技術(shù)的神舟微科桌面級3D打印機(jī)進(jìn)行打印，最大成型體積為200 mm×200 mm×200 mm，耗材選擇直徑為Φ1.75 mm的熱塑性材料PLA。3D打印機(jī)在開機(jī)啟動后，重要一步是打印平臺的調(diào)平，隨后通過導(dǎo)管將耗材送入打印機(jī)噴嘴口，設(shè)定噴頭溫度為220 ℃，底板溫度為標(biāo)準(zhǔn)的70 ℃，耗材的擠出速度與噴頭移動速度相同，均按各實(shí)驗(yàn)組參數(shù)設(shè)定。

3.4打印后處理

3D打印機(jī)完成工作后，取出物體，做后期處理。后期處理通常為去除多余材質(zhì)，有時也對模型中預(yù)留的孔、肋等結(jié)構(gòu)進(jìn)行修正。

4 模型打印過程分析及研究

通過對子夏樓簡易模型約150余個零件體的3D模型打印，并對打印后的零件體進(jìn)行組裝，并整體放置于透明亞克力板，得到了子夏樓的整個3D打印模型，如圖5所示。

圖5 子夏樓簡易3D打印模型

4.1 打印缺陷分析

基于FDM打印原理，在完成子夏樓簡易模型的3D打印過程中，以子夏樓C區(qū)部分結(jié)構(gòu)為例，實(shí)驗(yàn)組1～3打印的模型均出現(xiàn)了粘連、錯層、塌陷和翹邊等缺陷問題，如圖6所示。這些缺陷單獨(dú)或連鎖出現(xiàn)，需要分析其產(chǎn)生原因。

圖6(a)所示模型采用了實(shí)驗(yàn)組1的打印參數(shù)，可以看出在打印的最頂面出現(xiàn)了粘連缺陷。產(chǎn)生該現(xiàn)象的主要原因是填充密度(10%)過小，導(dǎo)致內(nèi)部網(wǎng)格間隙大，生產(chǎn)頂層平面時噴嘴吐絲不能及時附著原有體。當(dāng)實(shí)驗(yàn)組2～4調(diào)整填充密度(20%)后，均未出現(xiàn)同類問題。

圖6(b)所示模型采用了實(shí)驗(yàn)組2的打印參數(shù)，可以看出在模型底面有部分不完整平面及錯層現(xiàn)象，周邊有小立柱塌陷。出現(xiàn)錯層或不完整平面的原因是底層厚度設(shè)定的0.4 mm值偏小，難以支撐上部結(jié)構(gòu)，且打印速度還提高到80 mm/s，導(dǎo)致第一層打印材料不能及時冷卻附著于平臺；出現(xiàn)塌陷的原因是模型結(jié)構(gòu)的尺寸過小，附著面積小。當(dāng)采用實(shí)驗(yàn)組4的打印參數(shù)進(jìn)行模型打印時，未出現(xiàn)同類問題。

圖6(c)所示模型采用了實(shí)驗(yàn)組3的打印參數(shù)，可以看出在打印后期從打印平臺上取出模型后，放置一段時間出現(xiàn)了邊緣翹起現(xiàn)象。出現(xiàn)該問題的原因是模型底部面積大且底層壁厚薄，雖設(shè)定了底層厚度為0.6 mm，但打印速度設(shè)定為80 mm/s，使得打印過程中耗材在該速度下吐絲存在一定內(nèi)應(yīng)力。當(dāng)采用實(shí)驗(yàn)組4的打印參數(shù)，調(diào)整打印速度為60 mm/s后，后續(xù)模型打印過程有明顯改善。

圖6 打印過程出現(xiàn)的缺陷問題

4.2 工藝參數(shù)對打印質(zhì)量的影響分析

基于FDM打印原理的3D打印模型出現(xiàn)了不同質(zhì)量缺陷，其影響因素有模型結(jié)構(gòu)、切片軟件工藝參數(shù)和打印機(jī)功能參數(shù)3個方面，其中對最終模型質(zhì)量影響較大的因素是切片軟件的工藝參數(shù)，即切片層厚、切片壁厚、填充密度和打印速度等。

切片層厚為分隔模型時每層的打印厚度，模型高度一定，層厚越小，層數(shù)越多，打印時間越長，精度越高，打印質(zhì)量越好。

切片壁厚為模型所有外露面的壁厚，切片壁厚越大，模型的強(qiáng)度越高，打印時間越長，若采用3D打印結(jié)構(gòu)作為支撐件的模型，需增大切片壁厚，提高質(zhì)量。

填充密度為上述模型抽殼處理后，殼體內(nèi)部網(wǎng)格填充體積與整個殼體體積之比。填充密度越小，網(wǎng)格越稀疏，網(wǎng)格間隙過大易出現(xiàn)粘連缺陷問題導(dǎo)致打印質(zhì)量差；反之，填充密度越大，網(wǎng)格越密集，打印質(zhì)量好，而通常填充密度為≥20%時，基本可以保證模型強(qiáng)度。

打印速度為噴嘴帶動熔融態(tài)耗材在打印平面內(nèi)的移動速度，是影響打印時間的主要參數(shù)。當(dāng)打印速度過快時，會出現(xiàn)耗材在噴嘴內(nèi)加熱時間不足，出現(xiàn)耗材拉絲或變細(xì)情況，同時與底層粘接時間短不利于冷卻固化，進(jìn)而影響打印質(zhì)量。因此，通常情況下，打印速度在30 mm/s～100 mm/s范圍內(nèi)，高質(zhì)量打印建議設(shè)定在60 mm/s以內(nèi)。

經(jīng)過多次打印總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，最終在子夏樓簡易模型的所有小零件體的打印過程中采用了實(shí)驗(yàn)組4的打印參數(shù)：打印溫度220 ℃，打印平臺溫度70 ℃，切片層厚0.2 mm，切片壁厚0.8 mm，填充密度20%，打印速度60 mm/s。

5 結(jié)論

(1) 采用三維建模軟件UG NX構(gòu)建了子夏樓簡易模型，整體尺寸為570mm×250mm×400mm,并根據(jù)結(jié)構(gòu)特征、打印要求將其物理分割為A、B、C、D四大部分約150個小零件體。

(2) 通過多個實(shí)驗(yàn)組打印參數(shù)對比分析了子夏樓簡易模型打印過程中出現(xiàn)的粘連、錯層、塌陷、翹邊等缺陷問題，其影響因素主要有模型結(jié)構(gòu)、切片軟件工藝參數(shù)、打印機(jī)功能參數(shù)三方面。

(3) 分析了各工藝參數(shù)對子夏樓簡易模型打印質(zhì)量的影響，最終設(shè)定了合理參數(shù)：打印溫度220 ℃，打印平臺溫度70 ℃，切片層厚0.2 mm，切片壁厚0.8 mm，填充密度20%，打印速度60 mm/s。