不同型號ideaprinter 3D打印機及其性能參數對成型質量的影響

趙小娟張開發高 偉（.武昌工學院機械工程系，湖北 武漢 430065；.武漢船舶設計研究院，湖北 武漢 430060）

不同型號ideaprinter 3D打印機及其性能參數對成型質量的影響

趙小娟1張開發2高 偉2
（1.武昌工學院機械工程系，湖北 武漢 430065；2.武漢船舶設計研究院，湖北 武漢 430060）

分別使用ideaprintF100型及 F100L 型3D打印機打印制造，詳細分析了打印設置中幾種重要參數對其成型質量的影響及其產生的原因。通過實際打印設計的試驗，獲得數據并進行分析，通過對每組參數下試驗結果是否產生、產生了多大的差異進行分析，得出對以后的設計、試驗有參考價值的結果。

3D打印；熔融沉積成型技術；性能參數；成型質量；粗糙度

通常說的3D打印技術，其實是代指快速成型技術，它的學術名稱是增材制造或快速成型技術，是指通過化學、物理、機械等方法，有序添加材料，堆積成型[1]。傳統的制造技術如注塑法、模塑法可以以較低的成本大量制造聚合物產品，而3D打印技術則可以以更快、更有彈性以及更低成本的辦法生產數量相對較少的產品[2]。3D打印技術始于20世紀90年代，隨著材料科學和計算機模擬技術的高速發展，3D打印技術逐漸介入我們生活的方方面面，并逐步實現產業化應用。目前，3D打印技術主要用于汽車零部件及特殊機械元器件的制作[3]、人造器官的制作成型，以及人工骨骼的制作，乃至冰淇淋、奶油蛋糕等食品的成型[4,5,6]。在創意設計行業，已有將3D打印技術應用于服裝、高跟鞋的制作嘗試，對于一些特殊的文創產品制作，3D打印技術也將會有廣闊的應用前景[7]。

3D打印機的分辨率高低直接影響打印成品的光滑度，現有的打印機分辨率對大多數應用來說已經足夠。但在打印一些特殊物件彎曲的表面過程中，由于計算機圖像處理的不足，導致彎曲表面光滑度不夠。如何處理這種情況，成為業界研究的一個重點[8]。本研究擬采用不同型號的ideaprint 型3D打印機打印彎曲呈表面的工件，探究打印設置中幾種重要參數對其成型質量的影響及其產生的原因，旨在為3D打印技術的應用提供參考依據。

1 試驗設備及檢測儀器

試驗所使用的3D打印機是基于熔融沉積成型技術的一種快速成型設備。

ideaprinterF100型3D打印機，ideaprinterF100L型3D打印機：上海復翔信息科技有限公司生產。

檢測儀器：粗糙度測量儀。

2 試驗產品結構介紹

試驗產品是通過Solidworks軟件建立三維模型。此模型為中空件，且外表面形狀結構復雜，曲面過渡有圓弧形與棱形差別，且厚度不均，表面粗糙程度有差別。股骨結構如圖1所示。

圖1 股骨的結構

3 試驗方法

本次試驗所考慮的產生區別的參數設置分別為：三維建立的模型轉換為STL文件時的品質參數設置、3D打印機不同速度的打印方案以及不同的支撐方法。具體的不同參數的選擇如下：

STL文件的精度：由Solidworks軟件轉化格式時，有粗糙與精細兩個預置的品質選項，主要的區別參數為誤差公差與角度公差，于是在已有的數據基礎上增加了一組自定義的品質，在精細品質的基礎上以粗糙與精細品質的參數倍數設置參數，由于精度大于精細品質，遂將其命名為超精細品質。具體的品質參數為：

（1）粗糙：誤差公差：0.21950486 角度公差：30度,該組參數用字母A表示。

（2）精細：誤差公差：0.08457985 角度公差：10度,該組參數用字母B表示。

（3）超精細：誤差公差：0.03212266 角度公差：5度,該組參數用字母C表示。

不同打印成型方案：主要由打印機產品內置的速度對應打印方案，具體的方案區別參數為：

（1）快速：外壁打印速度50mm/s 內壁打印速度50mm/s 填充速度80mm/s,該組參數用數字1表示。

（2）均衡：外壁打印速度35mm/s 內壁打印速度50mm/s 填充速度70mm/s,該組參數用數字2表示。

（3）最佳：外壁打印速度15mm/s 內壁打印速度35mm/s 填充速度60mm/s,該組參數用數字3表示。

支撐方式有Raft和Brim兩種，分別用羅馬數字Ⅰ和Ⅱ表示。

最終的試驗設計結果見表1。

表1 試驗項目設計

4 結果與分析

通過以上試驗數據的打印，對產品進行分析，發現：

（1）本臺機器的使用次數或者出廠質量不同，主噴嘴的溫度、出料的溫度保持等因素表現較好。

（2）工作臺上進行打印位置之前的打印次數比較少，花紋紙的粗糙度和吸附力比較大。

（3）一開始打印底座時就發現，噴嘴在工作臺上運用時緊緊地貼著花紋紙并且有頂在工作臺上的感覺。停機進行調整時發現，應該是廠家在安裝時存在問題，導致最極端狀態下的工作臺依然緊貼著主噴嘴，這就解釋了為什么在第一次試驗的時候A232的底座那么細密了，相當于噴頭不光將材料熔融，還將它抹平、向花紋紙擠壓，最終在非正常工作條件下形成了一個特別致密的底座。

（4）試驗時，幾乎所有的產品在中部較細的位置出現了瑕疵。首先，可以確定的是這兩種機型在這種形狀的處理上均不占優勢，在這種尺寸變得較小、形狀比較有棱角、特別是加工位置傾斜度變大的加工處容易把這個不足之處暴露出來。其次，由最為嚴重的A2Ⅰ與B1Ⅰ相比較，不同的機器產生的問題嚴重程度不一樣，與設置的參數關系不大。

由打印過程以及數據（表2）分析可以發現：從產品底部往上高度為11cm處的粗糙度較大，并會因為機器的不同產生不同程度的瑕疵，所以不同參數導致數據不同的分析主要參照高度2cm和8cm處的采樣進行分析，11cm處的數據只做為一定參考。

表2 不同方案在對應位置的粗糙度測量數據 /μm

4.1 不同處理方式的分析

由3組數據相比，直接得到的結果是：與精細的處理方式比較，粗糙的打印產品精度相對較高；與超精細的處理方式相比，精細的打印產品精度相對較高；而在粗糙和超精細的對比中，在2cm處粗糙處理的粗糙度較好，在之后的兩個采樣點處均是超精細的精度比較好。

大致看來，三個結果相互制約有可能出現悖論。究其原因，是因為打印機器的緣故，在A2Ⅰ打印的過程中中部較細的部分出現了特別明顯的瑕疵，8cm處有大量的溝狀瑕疵，并且有了一定的鏤空征兆，11cm處更是沿著環狀的輪廓直接出現了大量的空洞，影響了最后進行的粗糙度測量。按照觀察分析，結合其他數據，可以得出STL品質的參數影響下產品的精度排行為：粗糙〉精細〉超精細。

這個結果與預期相反，之所以出現這樣的現象，是由于STL文件參數的精細度是通過改變代替物體原本表面所生成的小三角形的大小來實現的。越粗糙的參數所形成的表面看到的小三角形產生的棱面就越大，相當于越精細的參數打印機的運動軌跡更傾向于圓弧型；而粗糙的參數打印機所行走的軌跡是由一條條直線組成的。在通過測量與成型方向垂直所獲得的粗糙度數據可以看出，打印機在打印時，平面比弧面的成型效果更好。

4.2 不同成型方案生產的產品精度對比分析

由于試驗時間有限，加上對不同底座支撐對于產品的精度并沒有產生明顯的影響，最佳和快速對比采用B1Ⅰ和B3Ⅱ對比。直接對比數據可以得到的結果是：快速要優于均衡，均衡優于最佳，最終可以得到不同的成型方案對產品粗糙度的優劣排行為：快速〉均衡〉最佳。

試驗的結果同樣出乎預料，但是通過分析實際的產品，可以發現其中的A1Ⅰ未能成功打印完成，A2Ⅰ產生了嚴重的空洞瑕疵，以至于最后輕輕一掰，零件應聲而斷，根本無法使用。雖然粗糙度的測量結果表示的排行是快速〉均衡〉最佳，但是在實際操作中發生的問題，才是真正左右試驗結論的關鍵。

單從試驗所得數據來看，無論是STL文件的品質還是打印時的速度方案，都是越粗糙、越不注重質量而追求數量產生的表面粗糙度的數值表現越好。前者是因為對于打印機來說，相對股骨輪廓所要求的弧形的運動軌跡，平面的那種平直的運動軌跡能讓打印機完成的精度更好；而后者是因為比較快的堆積速度有利于在下一層的材料打印步驟到來之前，上一層材料的溫度還保持有比較高的溫度，有利于兩層材料相互融合，在垂直于打印堆積方向測量的粗糙度測量中比較有利。

但是正因為下層材料尚未冷卻定型，在速度更快的打印成型方案中，在底層材料冷卻后零件發生了一定程度上的形變，出現了很高的次品率，實際上是不能用來作為結果參數來考慮的。

通常的思維下STL品質最精細、打印方案最佳的零件成型精度應該是最好的，但是測量出來的數據卻讓人大跌眼鏡，各個位置的數據都比較高，但是通過觀察不難發現，雖然各項數值均偏大，三項數值的差距卻是在9項試驗數據中最小的。在球頭的打印過程中，越快的生產速度容易造成較大的缺陷，如圖2。

圖2 成型缺陷

由于如今的打印技術尚未發展到特別精細的程度，直接打印出來的成品并不能馬上標成商品投入市場，依然需要對其進行精細加工，比較均衡的粗糙度反而有利于后期加工，在提高其整體粗糙度表現的時候不會對其尺寸產生較大的影響。而不同位置粗糙度差異較大的零件考慮到保持其各個位置的尺寸，可能需要針對其不同部位來分別進行不同程度的精細加工，降低了生產效率，提高了加工難度。這與本來就是針對于快速生產成型的增材制造技術的目的是相悖的。而且，試驗過程與結果都能證明，試驗參數越粗糙，生產的成品率就越低。

5 結論

綜合本次試驗的完整過程和測量參數的分析，可以總結出以下結論：

（1）與傳統的模具生產相比，3D打印在去除模具的成本和提高產品個性化等方面有很大的優勢，但是單個產品生產成型的耗時比較長。

（2）由于通過沿著兩個相互垂直的坐標系設置的軸進行運動，打印機對于直線輪廓的處理要比弧形輪廓的處理好得多。

（3）F100L型打印機由于增大了其成型高度，應該在機器的工作邏輯上和穩定性上進行相應的調教，同樣的零件生產出來的效果要略好于F100型。

相比之下，Raft底座需要消耗更多的材料，延長一定的打印時間，但是結構相對穩固，在工作臺上的固定效果也特別好；Brim底座特別節省材料與底座形成時間，但由于與工作臺的接觸面積小，也更容易冷卻，固定效果較差。在這次試驗目標產品類似的細長形零件豎直放置的打印過程中，容易出現產品跑動，造成打印失敗。

單從成型后測量的數據上看，由于第二條結論，比較粗糙的參數所獲得的粗糙度數值較好，但結合實際打印過程中的成功率，和最終產品加工成型的需求，還是更加精細的加工方式獲得的產品比較符合生產和設計的要求。

[1]李小麗,馬健雄.3D打印技術及應用趨勢.上海:自動化儀表,2014,35(1):1-5.

[2]杜宇雷,孫菲菲,原光,等.3D打印材料的發展現狀.徐州工業學院學報（自然科學版）,2014,29(1):20-24.

[3]盧秉恒,李滌塵.增材制造（3D打印）技術發展.機械制造與自動化,2013,42(4):1-4.

[4]李光玲.食品3D打印的發展及挑戰[J].食品與機械,2015, 31（1）: 231-234.

[5]王金磊,王曉軍,任衍濤.一種基于活塞連續工作原理的3D食品打印筆[J].食品與機械,2015，31（5）: 1-7.

[6]姚青華.3D打印技術應用在奶油食品工業中的方案設計[J].食品與機械,2016, 32（2）: 98-100，110.

[7]許力,鄒勤.3D打印在創意設計中的應用. http://www.cnki.net/kcms/detail/11.5127.TB.20160310. 1021.062.html,2016-03-10.

[8]胡瑞珍,黃惠.3D打印啟發下的模型實例化優化研究綜述,計算機輔助設計與圖形學學報,2015,27(6):961-967.

趙小娟（1983-），女，武昌工學院機械工程系主任、講師、碩士研究生。E-mail：158712087@qq.com

2016-09-17