3D打印速度的研究

牛振華，付婭琦，董遷遷

（1.安陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 安陽(yáng) 455000；2.安陽(yáng)貞元（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，河南 安陽(yáng) 455000）

0 引言

3D 打印機(jī)是快速成型設(shè)備的一種，起源于20 世紀(jì)80 年代，它以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過(guò)逐層打印的方式來(lái)構(gòu)造物體。主要應(yīng)用于模具制造、工業(yè)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域，隨著技術(shù)的發(fā)展和完善，已經(jīng)開(kāi)始用于產(chǎn)品的直接制造。

目前3D 打印技術(shù)應(yīng)用最為廣泛和成熟的主要有疊層實(shí)體制造法（LOM）、熔融沉積制造法（FDM）、光敏液相固化法（SLA）和選擇性激光燒結(jié)法（SLS）等。本文使用的3D 打印機(jī)采用的是熔融層積制造法（FDM）。它利用熱塑性材料的熱熔性、黏結(jié)性，在計(jì)算機(jī)控制下層層堆積成型［1］。

3D 打印機(jī)通過(guò)控制軟件將3D 模型轉(zhuǎn)換成加工程序，因而控制軟件某些參數(shù)影響著3D 打印機(jī)的打印速度和打印質(zhì)量。本文通過(guò)調(diào)整3D 打印機(jī)控制軟件的主要參數(shù)，研究、分析這些參數(shù)與打印速度之間的關(guān)系。

1 試驗(yàn)步驟與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

本試驗(yàn)所用3D 打印機(jī)為UP Plus2 型3D 打印機(jī)，打印尺寸：L×W×H=140×140×135mm，打印材料：ABS 塑料。UP2 PLUS3D 打印機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

1.2 試驗(yàn)步驟

1.2.1 創(chuàng)建試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

本試驗(yàn)采用的模型是由Pro/Engineer 5.0 繪制的一個(gè)30×30×30mm 的正方體，繪制完畢后以默認(rèn)方式保存為STL 格式的文件。STL 文件格式是由美國(guó)3D SYSTEMS 公司制定的一個(gè)接口協(xié)議，應(yīng)用于CAD 模型與成型系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換［2］。

1.2.2 加載試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

將試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷腟TL 文件加載到控制軟件中（見(jiàn)圖2），然后開(kāi)始設(shè)置參數(shù)。

1.2.3 設(shè)置參數(shù)

在控制軟件中，主要的控制參數(shù)包括層片厚度、填充密度、密封表面、支撐結(jié)構(gòu)和打印質(zhì)量等，其中對(duì)打印速度和質(zhì)量影響最大的是層片厚度、填充密度和打印質(zhì)量。

（1）層片厚度，每一層的打印厚度，共有0.15mm，0.2mm，0.25mm，0.3mm，0.35mm，0.40mm 這6 個(gè)厚度選項(xiàng)，如圖3 所示。

（2）填充密度，內(nèi)部支撐的密度，共有4 項(xiàng)，分別標(biāo)記為“A，B，C，D”。其中，填充密度A＞B＞C＞D，如圖4 所示。

（3）打印質(zhì)量，控制打印精度，有Fine（最好）、Normal（正常）、Fast（最快）3 個(gè)選項(xiàng)，本次試驗(yàn)全部選用FAST（見(jiàn)圖5）。

圖1 UP2 PLUS 型3D 打印機(jī)結(jié)構(gòu)圖

圖2 控制軟件主界面

圖3 主參數(shù)面板

圖4 填充密度效果

圖5 打印參數(shù)面板

以上3 個(gè)主要參數(shù)設(shè)置完成后，其余的全部默認(rèn)即可。參數(shù)設(shè)置完畢后，預(yù)熱打印機(jī)15min，當(dāng)打印平臺(tái)的溫度預(yù)熱到85℃以上后，選擇打印，3D 打印機(jī)開(kāi)始自動(dòng)生成打印路徑，同時(shí)噴嘴開(kāi)始加熱，當(dāng)噴嘴溫度達(dá)到260℃時(shí)，打印開(kāi)始，打印結(jié)束后，使用工具將模型從工作上中取出，剝離支撐材料，即可獲得產(chǎn)品（見(jiàn)圖6）。

1.2.4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖6 打印完成的試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

分別選用層片厚度為0.15mm，0.20mm，0.25mm，0.30mm，0.35mm 和0.40mm，與A，B，C，D 四種填充密度相結(jié)合，共24種組合，分別記錄打印時(shí)間，以確定層片厚度和填充密度對(duì)打印時(shí)間的影響，其結(jié)果如圖7 所示。

圖7 24 種組合的打印時(shí)間

從圖7 中可以看出，打印時(shí)間與層片厚度和填充密度的關(guān)系較為密切，不論選用哪種層片厚度，填充密度越小，打印時(shí)間越短。其中，層片厚度為0.15mm，0.20mm 時(shí)，打印時(shí)間縮短趨勢(shì)較為明顯，層片厚度為其余4 項(xiàng)時(shí)，打印時(shí)間總體上也呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)，但趨勢(shì)不太明顯。

2 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)本文的研究，3D 打印機(jī)的打印速度取決于層片厚度和填充密度等參數(shù)的選擇，因此，在進(jìn)行3D 打印時(shí)，要根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的層片厚度和填充密度等參數(shù)，不僅可以節(jié)省打印時(shí)間，也能夠節(jié)省打印材料。3D 打印技術(shù)目前已經(jīng)應(yīng)用于工業(yè)制造、教育等領(lǐng)域，隨著技術(shù)的不斷成熟和發(fā)展，3D打印技術(shù)將向著智能化、通用化、精密化以及便捷化的趨勢(shì)穩(wěn)步發(fā)展［3］。

［1］黎震，朱江峰.先進(jìn)制造技術(shù)［M］.北京：北京理工大學(xué)出版社，2012.

［2］張貞貞，陳定方.基于VC 的STL 文件讀取［J］.湖北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2008（2）：44-46.

［3］王雪瑩.3D 打印技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的發(fā)展及前景分析［J］.中國(guó)高新技術(shù)企業(yè)，2012（26）：3-5.