熔融擠出成型（FDM）工藝的臨界支撐角實驗研究①

周倩，張文平，李慶

[摘 要] 基于熔融沉擠出型（FDM）工藝，研究了分層、填充密度、壁厚/底層/頂層厚度對模型臨界支撐角的影響。通過合理設定臨界支撐角的數值，可以減少支撐，節省材料，提高打印速度。對于實驗用PLA材料，打印速度取50mm/s、打印溫度取210℃時，實驗得到的臨界支撐角最大值為30°，當分層厚度0.1mm、填充密度15%、壁厚1.2mm時，臨界支撐角最小。

[關 鍵 詞] 熔融沉積成型工藝；工藝參數；臨界支撐角

[中圖分類號] TP334.8 [文獻標志碼] A [文章編號] 2096-0603（2018）06-0086-02

3D打印技術是由產品的三維CAD模型數據直接驅動，組裝（堆積）材料單元而制造出任意復雜且具有使用功能的零件的科學技術[1-2]。3D打印技術涵蓋了眾多工藝，其中，FDM技術不采用激光器，設備運營維護成本低，成型材料范圍光，材料成本低。FDM熔融沉積成型3D打印機在工業和教育領域得到了廣泛使用，是保有量最多的3D打印設備。

影響熔融擠出成型（FDM）工藝臨界支撐角的工藝因素很多，包括層厚、壁厚、打印溫度、打印速度等工藝參數，本文主要研究分層、填充密度、壁厚/底層/頂層厚度的影響。本文設計了如圖1所示的模型來研究不同工藝條件下可以不加支撐的最小角度，相鄰面之間的夾角均為5°。

一、實驗設計

（一）實驗材料及設備

實驗采用的材料及設備如下：（1）實驗用絲材選用PLA，生產廠家為深圳市佳內特數碼有限公司。（2）FDM桌面3D打印機型號：3DP-240，最大成型尺寸240*160*190mm，制造商為西安交通大學（陜西恒通智能機器有限公司）。

（二）試樣制備

運用正交實驗法，研究分層厚度、填充密度、壁厚等因素對最小支撐角的影響。根據各影響因素的常用取值范圍，決定對每個影響因素取三個水平，各影響因素水平的取值如表1所示。按正交實驗表設計的要求，共進行9次實驗。打印速度為50mm/s、打印溫度為210℃。

二、結果與討論

（一）實驗結果分析

每一實驗編號打印一個模型，3D打印模型如圖2所示。3號模型底面有少許翹曲變形，但不影響最小支撐角分析。

（二）臨界支撐角分析

本模型在切片軟件中設定不加支撐，以研究不同工藝條件下可以不加支撐的最小角度。對于不同角度的懸空面，隨著角度的增加，存在以下現象：（1）上一層完全支撐不住打印層，絲基本上都掉落，懸空處打印失敗。（2）上一層能基本支撐住打印層，只有極個別層有掉落現象，隨表面質量較差，懸空處基本能打印成功。（3）上一層能完全支撐住打印層，懸空角度對表面質量基本沒有影響。為了便于統計和觀察，本文中所列的可不加支撐的臨界角度指的是不存在第一種現象的最小角度。

正交實驗結果如表2所示。根據表中各因素同一水平臨界支撐角的平均數，選擇平均數小的水平A1、B2、C2組合成最小支撐角組合A1B2C2，即分層厚度取0.1mm、填充密度15%、壁厚1.2mm。

根據實驗測定的臨界支撐角度值，分別繪制臨界支撐角隨分層厚度、填充密度、壁厚三個因素的變化曲線，如圖3所示。

三、小結

本文基于熔融擠出成型（FDM）工藝，研究了分層、填充密度、壁厚/底層/頂層厚度對模型臨界支撐角的影響。通過合理設定臨界支撐角的數值，可以有效減少支撐，節省材料，提高打印速度。對于實驗用PLA材料，打印速度取50mm/s、打印溫度取210℃時，臨界支撐角最大值為30°，當分層厚度0.1mm、填充密度15%、壁厚1.2mm時，臨界支撐角最小。實驗值比常用桌面3D打印機切片軟件（比如CURA等）的默認值60°要小的多，說明在今后打印參數設定中可以適當減小臨界支撐角的數值。

參考文獻：

[1]盧秉恒，李滌塵.增材制造（3D打?。┘夹g發展[J].機械制造與自動化，2013，42（4）：1-4.

[2]高向陽，袁曉懿.聚焦新工業革命與增材制造[J].現代工業經濟和信息化，2013（13）：8-13.