基于FDM快速成型工藝的佛像3D打印

劉建元 陳亮

【摘 要】采用傳統的數控加工或多軸聯動數控加工難于加工含有復雜曲面外形及復雜內型內腔的零件，FDM快速成工藝采用分層增材制造原理，對佛像的STL文件進行分層處理后獲得的截面輪廓信息用于生成驅動打印噴頭作噴絲掃描運動的加工路徑，一層層的二維掃描噴絲運動堆疊成具有復雜曲面外形特征的佛像類制品。

【關鍵詞】FDM STL格式 截面輪廓 層高 掃描方式

佛像類制品一般包含很多復雜的自由曲面和輪廓特征，如果通過模具或數控加工進行制作，通常需要較多的加工程序有的甚至還要用到多軸聯動數控加工，采用FDM原型制作技術制作佛像無需模具和數控加工，因而能搞高效率并降低成本。

1 FDM原理及系統組成

快速成型機的加熱噴頭依據快速成型系統按制品截面輪廓信息生成掃描路徑進行掃描噴絲，絲材由送絲機構送至噴頭，經過加熱、熔化，從噴頭擠出粘結到工作臺面，然后快速冷卻并凝固。每一層截面完成后，工作臺下降一層的高度，再繼續進行下一層的造型。如此重復，直至完成整個實體的造型。絲束熔融沉積的層厚由噴頭擠絲的直徑、噴頭的運動速度等決定[1]。

FDM工藝關鍵是保持熔融的成型材料剛好在凝固點之上，通常控制在比凝固點高1 ℃左右，目前最常用的熔絲線材主要是ABS、PLA、人造橡膠、鑄蠟和聚酯熱塑性塑料等。

2 采用FDM制作佛像的3D打印工藝過程

（1）設計打印制品的三維CAD模型。根據產品的要求，利用UG、Pro/E、Solidworks、MAYA、3DMAX、北京精雕等三維造型軟件設計產品的3D模型[2]。

（2）制品三維CAD模型的近似處理，得到制品的STL格式文件。產品上有許多不規則的曲面，在加工前必須對模型的這些曲面進行近似處理。目前最普遍的方法是采用美國3D System 公司開發的STL（Sterolithgraphy）文件格式。用一系列相連的小三角平面來逼近曲面，得到STL 格式的三維近似模型文件。許多常用的CAD設計軟件都具有這項功能，如Pro/ E 、Solidworks、UG等。

（3）對制品STL文件進行分層處理。由于FDM工藝是將模型按照一層層截面加工疊加而成的。所以必須將STL格式的三維CAD模型轉化為快速成型制造系統可接受的層片模型。片層的厚度范圍通常在0.15～0.4mm之間。各種快速成型系統都帶有分層處理軟件，能自動獲取模型的截面信息。

圖1 佛像的STL格式模型

3天威CoLiDo桌面3D打印機舉手佛像的3D打印過程

（1）載入用于打印的佛像的STL模型：點擊載入，找到STL文件格式的舉手佛像，載入后的佛像STL模型如圖1所示。

（2）根據打印的材料選擇PLA或ABS，并根據模型及效果選擇相應的打印模式，具體選項意義為：I）Printrite Best代表最佳模式 ；II）Printrite BIG Model代表大型模型打印模式；III） Printrite draft草稿模式；IV） Printrite Support代表支撐模式。

（3）打印模型的縮放。

1）平移：可以輸入一個數值來平移需打印的模型，操作時也可以用鼠標來平移打印模型。

2）縮放：可以對打印模型進行單軸縮放，也可以對打印模型整體按比例縮放，也就是產品的長、寬、高可以在一定比例范圍內進行任意縮放。

3）旋轉：為了使產品盡量減小支撐及提高打印質量，可以調整產品的擺放方位。

（4）參數置選項。

圖2 相關打印參數設置 圖3 打印噴頭驅動代碼

1）如圖2所示在Layers and perimeters選項中最主要參數為設定分層打印層高，通常情況下，層高值設定得越小，模型的打印精度越高，表面質量越好，但所需的分層處理和打印時間則會相應延長，從而降低了打印效率，打印機的默認打印層高為0.4mm；2）Infill為填充掃描方式，FDM掃描方式有平行掃描、偏置掃描、螺旋掃描、蜂窩狀掃描等多種掃描方式，默認的掃描方式為honeycomb （蜂窩狀掃描），掃描路徑不僅影響打印制件的打印精度和打印效率還影響打印件的變形[1]；3）Speed選項用來設定噴頭移動速度，本文所述3D打印默認速度為60mm/s。設置好上述參數后便可點擊生成用于驅動3D打印噴頭作噴絲掃描運動的代碼，如圖3所示。將圖中所示代碼通過數據線發送給打印機或SD卡拷貝至打印機，便能打印出佛像的真實模型。

4 FDM快速成型工藝的特點

FDM 快速成型系統成本較低，不需要其他快速成型系統中昂貴的激光器；成型材料價格較低；FDM 原型特別適合有空隙的結構，可節約材料與成型時間；體積小，無污染，是辦公室環境的理想桌面制造系統。由于采用分層制造原理FDM工藝可適應具有非常復雜曲面外形的佛像類制品，動物模型等的3D打印制作。

FDM制件適用于薄殼體零件及微小零件；原型強度比較好，近似于實體零件，可作為手板概念模型直接驗證設計。

5結語

FDM已經廣泛地應用于制造行業，它無需開模及數控等復雜的機械加工便可直接得到復雜產品的模型，降低了產品的生產成本，縮短了生產周期，大大地提高了生產效率，拓展了研發和設計的手段并加快了研發設計周期，給企業帶來了較大的經濟效益。

參考文獻：

[1]韓霞，楊恩源.快速成型技術與應用[M].北京：機械工業出版社，2012：47-57.

[2]譚劍鋒等.FDM快速成型技術在動漫模型制作中的應用[J].機械設計與制造，2014，（6）：233-234.

基金項目：廣東科技學院重點科研項目 （編號：GKY-2012KYZD-1）

課題：東莞市2014年哲學社會科學立項資助課題 （編號：2014ZD02）

作者簡介：劉建元（1974—），男，四川仁壽人，副教授，研究方向為計算機輔助設計與制造及數字化快速成型技術。