FDM 3D打印模型表面階梯效應的分析*

龔運息　陳　晨　夏名祥　宋恩權

(①廣西科技大學，廣西 柳州 545006；②柳州鑫鼎科技有限公司，廣西 柳州 545006)

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FDM 3D打印模型表面階梯效應的分析*

龔運息①陳晨①夏名祥①宋恩權②

(①廣西科技大學，廣西 柳州 545006；②柳州鑫鼎科技有限公司，廣西 柳州 545006)

3D打印模型表面的階梯效應是常見的表面缺陷。在概述FDM 3D打印的原理基礎上，以簡化的三維錐體模型的3D打印加工為研究對象，分析了模型表面階梯效應的形成原理，論述了階梯效應與成型層厚及成型模型面角度的關系，同時也與銑削加工進行了對比。提出了改善FDM 3D打印階梯效應的方法，為探索和提高FDM 3D打印表面的質量，減小階梯效應，提供了有益的參考。

FDM ；3D打印；層厚；階梯效應

當前，通過廣泛的媒體報道，3D打印技術呈家喻戶曉之勢。3D打印實際上是快速成型制造技術的統稱。根據快速成型的原理和方法， 3D打印技術多達十幾種，甚至更多。其中成熟應用的主流技術有以下4種，即：SLA激光立體光刻、SLS選區激光燒結、FDM熔融層積成型技術、LOM疊層實體制造法[1]。許多學者開展了3D打印技術工藝及原理，以及在機械、汽車領域的應用研究[2-4]，探討了3D打印樣件用于產品評估、功能測試等方面的應用[5]。然而，這些研究主要是針對3D打印產品的用途研究，鮮有對模型表面的質量，階梯效應的形成深入開展研究。通俗地說，3D打印是分層累加的增材制造。在累加的過程中，模型表面層與層之間會有階梯產生，我們稱之為“階梯效應”， 研究階梯效應的形成機理以及改善方法，對提高模型表面的質量有重要的意義。

1　FDM 3D打印原理及階梯效應

1.1FDM 3D打印原理

FDM(fused deposition modeling)稱為熔融層積成型技術，又稱熔絲沉積法。其原理是首先將設計的三維CAD實體模型離散化，按幾何形狀變化分成一定厚度的薄層，稱為分層，得到截面輪廓和填充軌跡。FDM的控制系統將絲狀的熱塑性材料加熱融化，同時三維噴頭在計算機控制下，根據截面輪廓和填充軌跡信息，將材料選擇性地涂敷在工作臺上，快速冷卻后形成一層截面。然后重復上述過程，繼續融噴沉積，直至形成整個實體模型造型[6-7]。FDM使用的材料有ABS塑料絲、PLA塑料絲、尼龍絲和蠟絲等。相對于其他主流3D打印成型，FDM具有操作簡便、工藝簡單、環境干凈、材料利用率高、生產成本低等優點，因而應用普遍。

打印原理如圖1所示。

1.2階梯效應的形成模擬分析

無論是傳統的機加工還是3D打印成型，模型表面都會產生凹凸不平的加工痕跡。我們可以用表面粗糙度來衡量凹凸不平的程度。

首先，我們看看傳統的機加工模型表面加工痕跡是怎樣形成的？加工痕跡與刀具半徑及進給量有關，在刀具軌跡之間產生，可以稱之為“波峰效應”， 粗糙度是指殘余波峰高度。

而3D打印模型的表面加工痕跡，與噴嘴直徑、分層厚度及成型角度有關，在分層之間產生，形狀如階梯，可以稱之為“階梯效應”，粗糙度是指階梯效應產生的階梯高度。

以簡化的錐體模型加工為模擬參考，二者的形成機理和計算方法分別如圖2、圖3所示。

圖2中，機加工模型殘余波峰高度h與刀具半徑R及周期進給量P存在以下關系：

(1)

由式(1)可知，波峰高度h與刀具半徑R、進給量P均成正比關系。

假設分別采用半徑R為5 mm和10 mm的球頭刀加工，機加工模型殘余波峰高度h隨周期進給量P的變化關系如表1所示，關系曲線如圖4所示。

在圖3中，3D打印模型階梯效應產生的階梯高度h與分層厚度t及模型表面角度α存在以下關系：

h=t×cosα

(2)

由式(2)可知，階梯高度h與分層厚度t成正比關系，與模型表面角度α成反比關系。

假設分別采用分層厚度為0.1 mm和0.15 mm打印時，3D打印模型階梯高度h與模型表面角度關系數

表1　機加工模型殘余波峰高度與周期進給量關系　mm

表2　3D打印模型階梯高度與模型表面角度關系　mm

據如表2所示，關系曲線如圖5所示。

2　階梯效應的3D打印實驗分析

2.1試驗模型的參數及模型的建立

以簡化的錐體模型的3D打印為例。錐體的底徑(直徑)均為50 mm，錐體模型分為A、B兩組，每組有兩個，即A1、A2；B1、B2。錐體模型分組如表3所示。

A組的兩個模型參數為：成型錐面角度為45°的錐體，層厚分別取0.15 mm、0.25 mm，表示為A1(45°，0.15 mm)、A2(45°，0.25 mm)，通過試驗評估階梯高度h隨層厚t的變化情況。

B組的兩個模型參數為：層厚0.2 mm不變，成型錐面角度分別取30°、45°的錐體，表示為B1(0.2 mm，30°)、B2(0.2 mm，45°)。通過試驗評估階梯高度h隨成型錐面角度α的變化情況。

表3錐體模型分組參數表

模型組成型參數1成型參數2計算階梯高度h/mmA組模型A145°0.15mm0.1061模型A245°0.25mm0.1768B組模型B10.2mm30°0.1732模型B20.2mm45°0.1414

2.2模型的FDM 3D打印試驗

模型的FDM 3D打印試驗在Inspire S250系列的FDM快速成型機上進行，打印材料為ABS塑料絲。試驗流程：

錐體CAD數模→轉成STL模型→確定制作方向→模型分層→3D打印制作→取出零件→評價階梯高度。

打印工藝參數如表4所示，打印完成的A組、B組模型分別如圖6和圖7所示。

表4錐體模型 3D打印工藝參數

工藝參數A組模型B組模型A1A2B1B2分層厚度/mm0.150.250.200.20分層數18010882135成型面角度/(°)45453045模型體積/cm316.316.39.4116.3成型時間/h0.430.220.320.33實測階梯高度/mm0.100.170.170.13

A組的兩個模型中，分層厚度t參數為0.25 mm的A2模型，其階梯效應要比分層厚度t參數為0.15 mm的A1模型明顯，表面顯得更“粗糙”，試驗驗證了階梯效應隨分層厚度t的增大而增大。

B組的兩個模型中，成型錐面角度為45°的B2模型，其階梯效應要比成型錐面角度為30°的B1模型小，“粗糙”程度比B1模型略小，試驗驗證了階梯效應隨成型錐面角度的增大而減小。

通過對打印模型結果的觀察與測量，階梯高度實測值與理論計算基本吻合，試驗的結果驗證了階梯高度的變化符合前述式(2)中階梯效應的階梯高度h與分層厚度t及模型表面角度α的變化關系。

2.33D打印模型階梯效應的改善方法

為減小形成階梯效應的階梯高度，采取的措施是：

(1)減小分層厚度，選擇打印精度高的設備。目前常見的FDM 3D打印機分層厚度一般為0.10 mm、0.15 mm、0.20 mm、0.25 mm等，要根據需要選擇合適的設備。

但是，分層厚度減小后會增加打印時間。所以要在階梯效應和打印效率方面綜合考慮。

(2)分析模型表面角度。當模型表面平坦，角度較小時，會增加階梯高度，慎重選擇3D打印加工方式，或在允許的條件下，優化原始模型的結構。

(3)改變模型的擺放角度。3D打印軟件有許多功能，可以實現模型的縮放、平移、旋轉等，通過這些功能操作，優化模型的擺放角度，使得成型的階梯效應最小。

當然，通過上述方法，盡管改善了3D打印模型的階梯效應，但是，階梯效應總是不能完全消除的。就像傳統機加工模型表面，需要鉗工打磨、拋光加工刀痕一樣，從3D打印機取出模型后，對模型的后處理工作也是必須的。這些后處理包括去除支撐、打磨、拋光、修補等工作。完成后處理后，可以得到表面光滑的3D打印模型，使其表面粗糙度符合國家技術監督局頒布的《GB/T14234-1993塑料件表面粗糙度》標準要求[8]。

3　結語

通過對錐體FDM 3D打印模型階梯效應的研究分析，得到了影響階梯效應的相關參數，并通過打印試驗加以驗證，提出了改善方法，對于獲得良好的模型打印效果有一定的參考意義。該研究僅以簡化的錐體模型為參考，實際上，工業產品的模型型面幾何形狀復雜，結構各異，如何減小階梯效應，提高模型表面的打印質量，要從產品模型設計、3D打印設備、打印工藝參數選擇、打印成型方式選擇等多方面因素考慮，才能獲得更好的模型打印效果。有理由相信，隨著3D打印技術及機床設備，以及3D打印原材料的發展，3D打印將會呈現良好的發展前景。

[1]余東滿,李曉靜,高志華.快速成型技術工藝特點及影響精度的因素[J].機械設計與制造,2011(7):112-114.

[2]劉月輝,史春濤,郝志勇.快速成型技術在汽車上的應用[J].汽車技術,2001(6):25-28.

[3]董云海,殷晨波,岳剛鵬,等.激光快速成型技術用于汽車零部件的開發[J].中國制造業信息化,2005,34(9):112-114.

[4]龔運息.逆向工程及3D打印技術在微車發動機風扇開發中的集成應用[J].科技與企業,2013(17):299-300.

[5]洪軍,唐一平,盧秉恒.快速成型技術在新產品快速設計與制造中的應用研究[J].機械設計,2000(12):7-10.

[6]侯清泉,劉春生.FDM快速成型機加工工藝方法研究[J].制造技術與機床, 2008(1):88-90.

[7]段康容,賴思琦,熊開封.FDM快速成型技術在無線電測向機創新設計上的應用研究[J].制造業自動化,2013,35(11)：51-53,57.

[8]國家技術監督局(機械電子工業部機械標準化研究所).GB/T14234-1993塑料件表面粗糙度[S].北京：中國標準出版社，1993.

(編輯譚弘穎)

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Step effect analysis of FDM 3D printing model surface

GONG Yunxi①，CHEN Chen①，XIA Mingxiang①，SONG Enquan②

(①Guangxi University of Science and Technology , Liuzhou 545006, CHN；②Liuzhou Xinding Technology Ltd., Liuzhou 545006, CHN)

The step effect of FDM 3D printing model surface is a common surface defect. On that basis to describe the principle of FDM 3D printing, and taking the 3D printing process of the simplified three-dimensional cone model as the research object, to analysis the formation principle of the step effect of model surface. The relationship between the step effect and the layer thickness as well as molding surface angle has been discussed, at the same time compared with the milling process. A method to improve the step effect of FDM 3D printing is proposed, this can provides a beneficial reference to explore and improve the quality of FDM 3D printing surface, reduces the step effect of model surface.

FDM；3D printing；layer thickness；step effect

TH164

A

龔運息，男，1964年生，碩士，高級工程師，主要從事汽車產品研發和先進制造技術研究工作。

2015-10-13)

160409

*廣西科學研究與技術開發計劃項目：3D打印基地建設能力提升與創新示范(桂科能1598024-2-1)