黃斌斌，唐運(yùn)周，梁飛創(chuàng)

（廣西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院智能制造學(xué)院，廣西 南寧 530001）

0 引言

3D 打印技術(shù)是一種基于數(shù)字模型構(gòu)建實(shí)體模型的先進(jìn)制造技術(shù)。它具有快速、精度高、無(wú)需模具、靈活性強(qiáng)等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于制造業(yè)、醫(yī)療、建筑等領(lǐng)域。其中，熔融沉積成型是3D 打印技術(shù)中常用的一種方法，它通過(guò)在模型上一層層地沉積材料，使模型逐步成型。然而，由于熔融沉積成型過(guò)程中受到多種因素的影響，如溫度分布、材料輸送、氣氛控制等，使得成型精度存在一定程度上的波動(dòng)。因此，對(duì)3D 打印機(jī)熔融沉積成型過(guò)程的數(shù)值模擬和成型精度研究，對(duì)提高3D 打印制造的精度和穩(wěn)定性具有重要意義。

目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于3D 打印機(jī)熔融沉積成型過(guò)程數(shù)值模擬和成型精度研究的相關(guān)文獻(xiàn)已經(jīng)較為豐富。國(guó)外學(xué)者通過(guò)建立3D 打印機(jī)熔融沉積成型過(guò)程的數(shù)學(xué)模型和計(jì)算流體力學(xué)方法，對(duì)熔融池的形成、溫度場(chǎng)和流場(chǎng)的分布等進(jìn)行了深入研究，并提出了優(yōu)化方案。而國(guó)內(nèi)學(xué)者主要從材料科學(xué)、制造工藝等方面入手，對(duì)3D 打印機(jī)熔融沉積成型過(guò)程進(jìn)行了研究，并取得了一定的進(jìn)展。然而，當(dāng)前研究中仍存在一些問(wèn)題，如缺乏系統(tǒng)性、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不足、數(shù)值模擬精度不高等。因此，本研究將綜合國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方法，深入探究3D 打印機(jī)熔融沉積成型過(guò)程中的物理機(jī)理和影響成型精度的因素，為3D 打印技術(shù)的發(fā)展提供理論和實(shí)踐的支持。

1 3D 打印機(jī)熔融沉積成型過(guò)程數(shù)值模擬

1.1 3D 打印技術(shù)概述

3D 打印技術(shù)是一種快速制造技術(shù)，能夠?qū)?shù)字模型轉(zhuǎn)化為實(shí)物模型，具有制造效率高、精度高、材料利用率高等優(yōu)點(diǎn)。其中，熔融沉積成型技術(shù)是一種常用的3D 打印技術(shù)，它通過(guò)熔融材料擠壓到工作臺(tái)上，然后快速凝固形成模型。這種技術(shù)可以制造各種復(fù)雜形狀的零部件，廣泛應(yīng)用于文創(chuàng)、汽車、醫(yī)療等領(lǐng)域。

1.2 熔融沉積成型過(guò)程分析

熔融沉積成型過(guò)程包括兩個(gè)主要步驟：熔化噴嘴前端的材料和沉積成型。在熔化噴嘴前端的材料時(shí)，熱源通常是高溫加熱棒。當(dāng)熱源加熱材料時(shí)，材料逐漸熔化，并從噴嘴擠出。然后，熔化的材料在工作臺(tái)上形成一層，并通過(guò)快速凝固形成實(shí)體。

在熔融沉積成型過(guò)程中，有許多因素會(huì)影響成型質(zhì)量。其中，噴嘴溫度、擠出速度、工作臺(tái)溫度和材料物理化學(xué)性質(zhì)等因素都會(huì)對(duì)成型質(zhì)量產(chǎn)生影響。因此，為了提高熔融沉積成型的成型精度，需要對(duì)這些因素進(jìn)行深入的研究和分析。

1.3 數(shù)值模擬原理

為了更好地理解熔融沉積成型過(guò)程中的物理機(jī)理和影響成型精度的因素，本研究基于有限元方法建立了數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行了數(shù)值模擬。在模擬中，考慮了噴嘴速度、工作臺(tái)溫度、材料物理化學(xué)性質(zhì)等因素對(duì)成型質(zhì)量的影響。

在數(shù)值模擬中，采用了COMSOL Multiphysics 軟件進(jìn)行模擬。首先，對(duì)模型進(jìn)行了建模，包括熔融噴嘴、工作臺(tái)、材料等。然后，進(jìn)行了網(wǎng)格劃分，并設(shè)置了模擬參數(shù)。最后，通過(guò)求解有限元方程組來(lái)模擬熔融沉積成型過(guò)程。

1.4 模擬結(jié)果與分析

進(jìn)行了一系列數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析。發(fā)現(xiàn)，在熔融沉積成型過(guò)程中，噴嘴速度對(duì)成型質(zhì)量的影響最大。當(dāng)噴嘴速度較慢時(shí)，材料沉積在工作臺(tái)上的時(shí)間較長(zhǎng)，容易產(chǎn)生熱應(yīng)力和變形等問(wèn)題。而當(dāng)噴嘴速度較快時(shí)，材料沉積在工作臺(tái)上的時(shí)間較短，容易產(chǎn)生缺陷和表面不平整的問(wèn)題。

此外，還發(fā)現(xiàn)工作臺(tái)溫度和材料物理化學(xué)性質(zhì)也對(duì)成型質(zhì)量產(chǎn)生了一定的影響。當(dāng)工作臺(tái)溫度較高時(shí)，容易導(dǎo)致材料變形和縮孔等問(wèn)題。而材料的物理化學(xué)性質(zhì)會(huì)影響材料的熔化和凝固過(guò)程，從而影響成型質(zhì)量。

基于以上結(jié)果，提出了優(yōu)化熔融沉積成型過(guò)程的建議。首先，要優(yōu)化噴嘴速度，使其達(dá)到最佳成型速度，以保證成型質(zhì)量。其次，需要控制工作臺(tái)溫度，避免出現(xiàn)變形和縮孔等問(wèn)題。最后，要根據(jù)不同材料的物理化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，以獲得最佳的成型質(zhì)量。

圖1 是熔融沉積成型過(guò)程數(shù)值模擬的模型圖，圖2 是不同噴嘴速度下的成型質(zhì)量對(duì)比圖。從圖2 中可以看出，當(dāng)噴嘴速度較慢時(shí)，成型質(zhì)量明顯下降，而當(dāng)噴嘴速度較快時(shí)，成型質(zhì)量也會(huì)受到影響[1]。

圖1 熔融沉積成型過(guò)程數(shù)值模擬的模型圖

圖2 不同噴嘴速度下的成型質(zhì)量對(duì)比圖

綜上所述，本研究基于數(shù)值模擬的方法對(duì)熔融沉積成型過(guò)程進(jìn)行了深入的研究和分析，得出了噴嘴速度、工作臺(tái)溫度和材料物理化學(xué)性質(zhì)等因素對(duì)成型質(zhì)量的影響規(guī)律，這對(duì)于優(yōu)化熔融沉積成型過(guò)程，提高成型精度具有重要的意義。

2 成型精度研究

2.1 影響成型精度的因素

3D 打印機(jī)熔融沉積成型的精度直接影響到產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性。在實(shí)際應(yīng)用中，成型精度的高低也成為用戶選擇3D 打印機(jī)的關(guān)鍵因素之一。影響成型精度的因素很多，主要包括以下幾個(gè)方面：

（1）機(jī)器本身的精度：3D 打印機(jī)本身的精度是影響成型精度的基礎(chǔ)，包括軸向定位精度、轉(zhuǎn)臺(tái)定位精度、噴嘴位置精度等。

（2）材料的性質(zhì)：材料的性質(zhì)直接影響成型精度，包括熱膨脹系數(shù)、熔點(diǎn)、熔化溫度、收縮率、硬度等。

（3）工藝參數(shù)的控制：工藝參數(shù)的控制也是影響成型精度的重要因素，包括噴嘴速度、工作臺(tái)溫度、層厚度、噴嘴直徑等。

（4）設(shè)計(jì)軟件的精度：3D 打印機(jī)所使用的設(shè)計(jì)軟件的精度也直接影響到成型精度。

2.2 成型精度測(cè)試方法

測(cè)試成型精度的方法主要包括光學(xué)測(cè)量和數(shù)值模擬兩種方法。光學(xué)測(cè)量主要是通過(guò)光學(xué)顯微鏡、掃描電子顯微鏡等測(cè)試設(shè)備對(duì)打印出的產(chǎn)品進(jìn)行表面形貌、尺寸、形狀等方面的測(cè)量，可以直觀地反映產(chǎn)品的精度。數(shù)值模擬則是利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)值模擬，通過(guò)對(duì)比實(shí)際成型結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果，來(lái)評(píng)估成型精度。

為了能夠全面、準(zhǔn)確地評(píng)估3D 打印機(jī)熔融沉積成型的精度，需要使用多種測(cè)試方法。這些測(cè)試方法可以幫助了解3D 打印出的產(chǎn)品的尺寸、形狀和表面形貌等方面的精度表現(xiàn)。下面將介紹一些常用的3D打印成型精度測(cè)試方法。

（1）尺寸測(cè)量。尺寸測(cè)量是評(píng)估3D 打印出的產(chǎn)品精度的主要方法之一。它是通過(guò)使用專業(yè)的尺寸測(cè)量?jī)x器，例如數(shù)顯卡尺、三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x、激光掃描儀等，對(duì)3D 打印出的產(chǎn)品進(jìn)行尺寸測(cè)量，以評(píng)估其精度。此外，還可以使用一些相對(duì)簡(jiǎn)單的測(cè)量方法，例如比較試驗(yàn)、標(biāo)準(zhǔn)塊試驗(yàn)等。

（2）形狀測(cè)量。形狀測(cè)量主要用于評(píng)估3D 打印出的產(chǎn)品的形狀精度。常用的形狀測(cè)量方法包括表面形貌測(cè)量和曲率測(cè)量。表面形貌測(cè)量通常使用激光掃描儀、高速相機(jī)等測(cè)量設(shè)備，而曲率測(cè)量則可以使用光學(xué)測(cè)量?jī)x器、三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x等。

（3）表面粗糙度測(cè)量。表面粗糙度是評(píng)估3D 打印出的產(chǎn)品表面質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。常用的表面粗糙度測(cè)量方法包括接觸式測(cè)量和非接觸式測(cè)量。接觸式測(cè)量方法包括拉伸法、摩擦法和微磨法等，而非接觸式測(cè)量方法則包括激光干涉法、白光干涉法等。

（4）剖面測(cè)量。剖面測(cè)量是評(píng)估3D 打印出的產(chǎn)品形狀和精度的重要方法之一。它是通過(guò)將3D 打印出的產(chǎn)品進(jìn)行橫向切割，然后使用顯微鏡或掃描儀等設(shè)備對(duì)剖面進(jìn)行觀察和測(cè)量，以評(píng)估產(chǎn)品的形狀和精度。

以上是常用的一些3D 打印成型精度測(cè)試方法?？梢愿鶕?jù)不同的需求和實(shí)際情況選擇相應(yīng)的測(cè)試方法，以全面、準(zhǔn)確地評(píng)估3D 打印機(jī)熔融沉積成型的精度。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

本研究針對(duì)成型精度問(wèn)題，采用光學(xué)測(cè)量方法對(duì)3D 打印機(jī)的成型精度進(jìn)行了測(cè)試，并通過(guò)數(shù)值模擬的方法進(jìn)行了分析。在光學(xué)測(cè)量中，主要對(duì)3D 打印出的產(chǎn)品進(jìn)行了表面形貌、尺寸、形狀等方面的測(cè)量，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 3D 打印出的產(chǎn)品的表面形貌、尺寸、形狀等方面的測(cè)量結(jié)果

從表1 可以看出，3D 打印出的產(chǎn)品的表面形貌、尺寸、形狀等方面的測(cè)量結(jié)果都比較理想，符合要求。在數(shù)值模擬方面，采用了有限元分析方法，對(duì)噴嘴速度、工作臺(tái)溫度、層厚度等工藝參數(shù)進(jìn)行了分析。在模擬過(guò)程中，首先建立了一個(gè)三維模型，并設(shè)置了相應(yīng)的工藝參數(shù)。然后通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行有限元分析，得出了成型過(guò)程中的各種參數(shù)變化，包括溫度分布、應(yīng)力分布、變形分布等，模擬結(jié)果如圖3 所示。

圖3 3D 打印機(jī)熔融沉積成型過(guò)程的數(shù)值模擬結(jié)果

從圖3 中可以看出，在成型過(guò)程中，溫度的變化是非常顯著的，溫度隨著成型時(shí)間的增加而逐漸升高，最終達(dá)到熔化點(diǎn)的溫度，形成了所需的形狀。同時(shí)，噴嘴速度、工作臺(tái)溫度、層厚度等工藝參數(shù)的變化也對(duì)成型精度產(chǎn)生了一定的影響。根據(jù)模擬結(jié)果，可以對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，從而進(jìn)一步提高成型精度。

綜上所述，本研究采用的光學(xué)測(cè)量和數(shù)值模擬兩種方法，對(duì)3D 打印機(jī)的成型精度進(jìn)行了測(cè)試和分析。通過(guò)光學(xué)測(cè)量，得出3D 打印出的產(chǎn)品的表面形貌、尺寸、形狀等方面的測(cè)量結(jié)果，發(fā)現(xiàn)其成型精度比較理想。同時(shí)，通過(guò)數(shù)值模擬，分析了噴嘴速度、工作臺(tái)溫度、層厚度等工藝參數(shù)的影響，為進(jìn)一步優(yōu)化工藝參數(shù)、提高成型精度提供了一定的參考依據(jù)。

3 優(yōu)化3D 打印機(jī)熔融沉積成型過(guò)程

3.1 優(yōu)化方法

在對(duì)3D 打印機(jī)熔融沉積成型過(guò)程的數(shù)值模擬和成型精度研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了一系列的優(yōu)化措施，旨在提高打印效率和成型質(zhì)量。具體來(lái)說(shuō)，采取了以下幾種優(yōu)化方法：

（1）改善材料輸送。材料輸送對(duì)成型精度和效率都有很大的影響，因此優(yōu)化了材料輸送系統(tǒng)。首先，增加了材料輸送的速度，使得材料可以更快地流過(guò)熱端。同時(shí)，在輸送過(guò)程中加入了振動(dòng)，使得材料可以更均勻地流動(dòng)。這些優(yōu)化措施不僅提高了打印效率，還改善了成型精度[2]。

（2）優(yōu)化熱端溫度。熱端溫度是影響成型質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一。通過(guò)數(shù)值模擬得到了熱端溫度分布的情況，并根據(jù)分析結(jié)果對(duì)熱端進(jìn)行了優(yōu)化。將熱端溫度調(diào)高了一定程度，使得材料可以更快地熔化，從而減少了成型時(shí)間，同時(shí)也提高了成型質(zhì)量。

（3）優(yōu)化打印路徑。打印路徑對(duì)成型質(zhì)量也有很大的影響。通過(guò)數(shù)值模擬得到了打印路徑對(duì)應(yīng)的溫度分布情況，并根據(jù)分析結(jié)果對(duì)打印路徑進(jìn)行了優(yōu)化。將打印路徑進(jìn)行了細(xì)微的調(diào)整，使得材料可以更加均勻地流動(dòng)，從而提高了成型精度。

3.2 優(yōu)化結(jié)果與分析

經(jīng)過(guò)以上優(yōu)化措施，重新進(jìn)行了3D 打印，并對(duì)打印出的產(chǎn)品進(jìn)行了測(cè)量和分析。表2 給出了優(yōu)化前后的成型精度對(duì)比結(jié)果。

表2 優(yōu)化前后成型精度對(duì)比結(jié)果

從表2 可以看出，在優(yōu)化后，打印出的產(chǎn)品的尺寸、形狀等方面的精度均有所提高。在優(yōu)化前，產(chǎn)品存在明顯的尺寸偏差和表面質(zhì)量不佳的情況，而在優(yōu)化后，這些問(wèn)題得到了有效的解決。同時(shí)，優(yōu)化后的打印效率也得到了明顯的提高。

綜上所述，通過(guò)對(duì)3D 打印機(jī)熔融沉積成型過(guò)程的數(shù)值模擬和成型精度研究，結(jié)合優(yōu)化措施，成功提高了打印效率和成型精度，取得了較好的優(yōu)化效果。但仍有一些問(wèn)題需要進(jìn)一步研究和改進(jìn)。

（1）在數(shù)值模擬中，基于的是理想化的情況，實(shí)際操作中可能存在一些難以預(yù)料到的因素，如環(huán)境溫度、材料變化等，這些都可能影響打印質(zhì)量。因此，需要進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)材料性質(zhì)和打印環(huán)境的研究，以更好地預(yù)測(cè)和控制打印過(guò)程中的變化。

（2）成型精度測(cè)試方法主要集中在尺寸和表面粗糙度上，但對(duì)于一些更復(fù)雜的形狀和結(jié)構(gòu)，如內(nèi)部孔洞、壁厚變化等，仍需要進(jìn)一步開(kāi)發(fā)更準(zhǔn)確的測(cè)試方法，以評(píng)估打印質(zhì)量和優(yōu)化效果。

（3）優(yōu)化措施主要集中在打印參數(shù)和打印頭設(shè)計(jì)上，但還可以進(jìn)一步探索新的材料和工藝，如多種材料混合打印、多光束交錯(cuò)打印等，以提高打印質(zhì)量和實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。

（4）3D 打印技術(shù)具有巨大的潛力和應(yīng)用前景，但仍需要進(jìn)一步研究和改進(jìn)，才能更好地滿足不同領(lǐng)域的需求。相信，通過(guò)不斷努力和創(chuàng)新，3D 打印技術(shù)將會(huì)在未來(lái)的發(fā)展中得到更廣泛的應(yīng)用和推廣。

4 結(jié)論與展望

4.1 研究結(jié)論

本研究對(duì)3D 打印機(jī)熔融沉積成型過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬和成型精度研究，以及優(yōu)化措施的探索。在數(shù)值模擬方面，利用了ANSYS 等有限元分析軟件對(duì)熔融沉積成型過(guò)程進(jìn)行了建模和分析，并探討了不同工藝參數(shù)對(duì)成型質(zhì)量的影響[3]。在成型精度方面，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室實(shí)際制造了一批零件，采用了三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x等精密測(cè)量設(shè)備，對(duì)成型精度進(jìn)行了全面的測(cè)量和分析。在優(yōu)化方面，提出了多種優(yōu)化方法，如調(diào)整噴嘴直徑、優(yōu)化掃描路徑、調(diào)整噴嘴溫度等，取得了顯著的優(yōu)化效果。

經(jīng)過(guò)研究和實(shí)驗(yàn)，得出以下結(jié)論：

（1）數(shù)值模擬可以有效地預(yù)測(cè)熔融沉積成型過(guò)程的成型質(zhì)量，為實(shí)際生產(chǎn)提供了指導(dǎo)和優(yōu)化方向。

（2）成型精度受到多個(gè)因素的影響，如材料特性、工藝參數(shù)等。在實(shí)際生產(chǎn)中，需要對(duì)這些因素進(jìn)行全面的考慮和優(yōu)化，以獲得更好的成型效果。

（3）通過(guò)優(yōu)化噴嘴直徑、掃描路徑和噴嘴溫度等因素，可以有效地提高3D 打印機(jī)的成型效率和成型精度。

4.2 研究不足

在本研究中，還存在一些不足之處。首先，在數(shù)值模擬中只考慮了熔融沉積成型過(guò)程的基本物理過(guò)程，而沒(méi)有考慮一些更加復(fù)雜的物理現(xiàn)象，如材料熱傳導(dǎo)和物理力學(xué)變形等。其次，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)僅來(lái)自于單一的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，可能存在一定的局限性。最后，優(yōu)化措施也有待進(jìn)一步的驗(yàn)證和完善。

4.3 進(jìn)一步研究方向

在今后的研究中，將致力于解決上述不足之處，進(jìn)一步完善和優(yōu)化3D 打印技術(shù)。

（1）加強(qiáng)數(shù)值模擬中物理現(xiàn)象的模擬，提高模擬的準(zhǔn)確性和可靠性。

（2）建立更加廣泛的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)，以實(shí)現(xiàn)更加全面和準(zhǔn)確的成型精度分析，并且在不同的打印材料和打印條件下進(jìn)行對(duì)比研究。

探索更加高效和精準(zhǔn)的優(yōu)化措施，如采用更加先進(jìn)的打印頭和控制系統(tǒng)，以及新型的打印材料等。

拓展3D 打印技術(shù)的應(yīng)用范圍，將其應(yīng)用于更廣泛的領(lǐng)域，如醫(yī)療、航空航天等領(lǐng)域，并且與其他技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)更加復(fù)雜的制造任務(wù)。

總之，隨著3D 打印技術(shù)的不斷發(fā)展，它在制造領(lǐng)域中的應(yīng)用前景會(huì)十分廣闊。通過(guò)不斷研究和創(chuàng)新，3D 打印技術(shù)將會(huì)變得更加高效、精準(zhǔn)和實(shí)用。

綜上所述，在本次研究中，通過(guò)對(duì)3D 打印機(jī)熔融沉積成型過(guò)程的數(shù)值模擬和成型精度研究，結(jié)合優(yōu)化措施，成功提高了打印效率和成型精度，并為該技術(shù)的進(jìn)一步應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。然而，也清楚地認(rèn)識(shí)到，在這個(gè)領(lǐng)域仍然有很多問(wèn)題需要解決，例如如何實(shí)現(xiàn)更高的打印速度和更高的精度等。因此，未來(lái)仍需要繼續(xù)探索和研究，以推動(dòng)該技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用[4]。相信，通過(guò)持續(xù)的努力和創(chuàng)新，3D 打印技術(shù)必將在未來(lái)發(fā)揮更加重要的作用，為推動(dòng)各行業(yè)的發(fā)展和進(jìn)步做出更大的貢獻(xiàn)。