一種基于FDM技術的3D打印機成型精度的研究思路

孫浩然　馬丹丹　于長有

摘 要：3D打印技術出現于上世紀90年代中期，到目前為止只有30多年的發(fā)展歷程。3D打印技術屬于新興技術和先進制造技術。3D打印機是建立在3D打印技術基礎上的一種快速成型的機器。熔融沉積制造（FDM）技術是3D打印技術領域中的一種。部分的3D打印機在結構性設計上，沒有較好的參考、借鑒那些傳統的機器設計的成熟經驗和成果。文章講述的是一種基于FDM技術的3D打印機成型精度的研究思路。通過借鑒機床結構原理和注塑模結構原理中的成熟技術，提出若干技術規(guī)范要求，重新設計部分零部件，改進系統結構。

關鍵詞：3D打印機；熔融沉積制造；成型精度；機床結構；注塑模結構

中圖分類號：TH122 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）17-0069-03

Abstract： 3D printing technology appeared in the mid-1990s， so far only more than 30 years of development. 3D printing technology belongs to new technology and advanced manufacturing technology. 3D printer is a rapid prototyping machine based on 3D printing technology. Fused Deposition Modeling （FDM） technology is one of the 3D printing technologies. Part of the 3D printer in structural design is not based on good reference to mature experience and results of traditional machine design. This paper describes a research idea of 3D printer forming accuracy based on FDM technology. Through drawing lessons from the mature technology of machine tool structure principle and injection mould structure principle， this paper puts forward some technical specification requirements， redesigns some parts and improves the system structure.

Keywords： 3D printer； Fused Deposition Modeling （FDM）； molding accuracy； machine tool structure； injection mould structure

引言

3D打印技術出現于上世紀90年代中期，到目前為止只有30多年的發(fā)展歷程，屬于新興技術和先進制造技術。它是一種利用光固化技術或紙層疊技術進行增材制造的工藝方法，也是一種材料的快速成型技術。它與平時常見的普通打印機的工作原理相似。只是普通打印機的打印材料為墨水和紙張，而3D打印機所使用的材料為各種實實在在的3D打印材料，其中最常見的為塑料。打印時，把一層層材料疊加起來，實現2D到3D的三維實體塑造。通過這種3D打印技術，可以輕松實現電腦上的三維實體造型設計由藍圖變?yōu)閷嵨铩?/p>

目前，3D打印技術主要有熔融沉積式（FDM）、選擇性激光燒結（SLS）、分層實體制造（LOM）、數字光處理 （DLP）等類型。

1 基于FDM技術3D打印機的成型精度

熔融沉積制造（FDM）技術是3D打印技術領域中應用最為廣泛的類型之一，是將各種絲材加熱熔化進而堆積成型方法?；贔DM技術3D打印機使用的打印材料材質有熱塑性塑料，共晶系統金屬、可食用材料等。目前最常用的是丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）和聚乳酸（PLA）兩種塑料材質，即基于FDM技術3D打印機所打印出來的產品主要是塑料材質。

這種以塑料材質打印出來的3D產品（零部件）和機械工業(yè)中利用其它成型方法得到的金屬材質產品（零部件）一樣，不僅在尺寸精度上有公差要求，還可能選擇性標注有所需的形位公差，這些都對基于FDM技術的3D打印機提出了成型精度的要求。

2 關于基于FDM技術3D打印機的結構和設計理念

首先，針對市面上相當數量的基于FDM技術3D打印機成型精度不高且難以保證的問題，本文先嘗試分析對這種3D打印機的設計理念。

3D打印機（3DP），是建立在3D打印技術基礎上的一種快速成型的機器。一部機器需要符合的三個特征3D打印機都具有，即：

（1）人為的多件實物組合體。

（2）各實物體間具有確定的相對運動關系。

（3）完成有用功或實現能量轉換。

但是，市面上最常見的那些打印機，設計人員在設計時，有時是從3D打印機是一種建立在新興技術、先進制造技術基礎上的這個概念出發(fā)的。而缺少對3D打印機是在過去很長一段時期的傳統工業(yè)的基礎上發(fā)展起來的一種工業(yè)裝備的認識。當下媒體所關注的方面，也往往側重于3D打印技術的各種能吸引人的新奇消息。

3D打印機是制造產品的機器，是工作母機，不是“玩具”。我們甚至可以從工業(yè)分類來說，設計和生產制造3D打印機的行業(yè)，屬于重工業(yè)，而非輕工業(yè)。這種設計理念上的偏差造成的結果是市面上占有市場率較高的部分3D打印機類型，有相當一部分難以滿足使用需求和保證打印精度。這部分打印機，價格從幾百到上萬。其中中低端產品多為拼接結構，甚至構成部件很多為塑料材質（如亞克力）。打印出的產品精度較低，難以嚴格保證尺寸、形狀和位置精度。

新興技術、“玩具”這些名詞和概念，明顯使得3D打印機偏離了其是一種工業(yè)設備的理念。因此，市面上能常常見到的3D打印機，觀察研究其結構，和傳統的有嚴格技術要求，有各種行業(yè)標準的金屬切削機床和塑料成型注塑機不一樣。很多很好的技術措施并沒有在3D打印機上體現出來，沒有很好的借鑒傳統工業(yè)設計中的成熟經驗和成果。分析其原因，主要在于對3D打印機的結構和設計理念上，沒有嚴謹的定義3D打印機為傳統工業(yè)設備的升級版。

3 基于FDM技術3D打印機成型精度的總體研究思路

目前基于FDM的3D打印機，較常見的有XYZ三坐標型、極坐標型和“三角洲”并聯臂結構三種結構類型。市面上，淘寶和京東等網上商城里可以很方便的購買到各種3D打印機，價格從幾百到數萬不等。這些3D打印機大體上可以分為兩類，低端為經濟型基于FDM技術的3D打印機，中高端為工業(yè)型基于FDM技術的3D打印機。

根據數據采集調查的結果，下面舉例說明如若購買這些3D打印機回來，組裝調試后打印產品，可能存在的幾類問題：

（1）打印精度較低，且難以保證。經濟型3D打印機，多數廠家的機器參數寫的是打印精度可達到0.1-0.4mm。實際打印時，打印精度較多的依靠安裝調試人員、打印操作人員的技術水平，甚至靠運氣。一旦打印精度偏離精度要求，不像傳統機床一樣，有完備的一套精度檢測方法和合適的測量工具，更沒有完備的調整精度的措施。因此實際打印過程精度較低，一般偏向于0.4mm的較低值，甚至往往達不到。即使價格較高的工業(yè)型3D打印機，相當一部分也可能難以保證精度能穩(wěn)定的保證在0.1mm以上。

（2）常見3D打印機的送料機構，使用的耗材是塑料

絲。大多采用摩擦輪利用摩擦力送料，這難免會有誤差。

（3）而送入喉管加熱區(qū)的塑料絲，已經被融化的部分不被后來的塑料絲擠入而產生返流，依靠的是鐵氟龍管的特殊性能。這種設計雖然也可以得到一定的精度，但聽起來就是一種模糊計算。

（4）鐵氟龍管和喉管之間是有縫隙的，間隙處導熱慢，在打印開始之后很長時間都處于固態(tài)，所以一直擠不動。如果縫隙過大，會造成堵頭，擠出頭有很多種結構，但堵頭原因大多是因為如此。

針對以上提出的問題，我們在此提出基于FDM技術的3D打印機成型精度的總體研究思路，以確保基于FDM技術的3D打印機的成型精度。從結構設計、技術規(guī)范上解決其打印產品質量不穩(wěn)定的情況。

針對上述問題1，即基于FDM技術的3D打印機精度不高，且難以保證的問題。經濟型3D打印機精度問題的首要原因在于其大多是簡單的拼接結構，要求用戶自己組裝。這些零件之間的組裝方法，大多過于簡易。這些組裝方法可能存在松緊上的難以把握，導致零件間的間隙存在和相對位置關系難以保證等情況，造成3D打印系統的累計誤差。相當多的經濟型3D打印機，較多的零部件，尤其是框架部分采用的是稱為亞克力的一種塑料材質。這種塑料件在安裝和使用過程中，一旦受力較大或者溫度變化較大，就會發(fā)生變形。毫無疑問，作為機架部分，是整個機器其它零部件安裝定位的基準，易發(fā)生變形，使得3D打印機的精度更難以得到保證。對于工業(yè)型3D打印機，零件之間的配合關系、系統結構的剛度等情況有較大的改觀，但是如同經濟型3D打印機一樣，都存在安裝、調試和使用過程中，對精度的檢驗、調試及機器的修理缺少完備的技術規(guī)范和措施的情況。為解決改善這個問題，其中的一個研究方向是，針對3D打印機同樣作為可以生產產品的工作母機，在機器結構和工作原理上與傳統的通用型機床有很多相通之處，可以借鑒這些傳統機床成熟的技術規(guī)范和行業(yè)標準，以研究確保傳統機床加工精度相關技術措施的視角，來研究如何確保3D打印機的成型精度。

作為此研究思路的舉例說明，有一種基于FDM技術的龍門式XYZ三坐標型3D打印機，主要結構為龍門式框架，橫梁可在垂直方向上下移動，打印機噴頭、擠出機構和送料機構安裝在橫梁上可沿著橫梁左右移動，打印平臺在擠出頭下方可做前后移動。這種機器機構和某種固定式龍門銑床非常類似，因此GB/T 19362《龍門銑床檢驗條件 精度檢驗》等相關的國家標準和行業(yè)標準就可以拿來借鑒參考，找出提高基于FDM技術的3D打印機成型精度的技術措施。

針對上述問題2、問題3、問題4，原因主要可以歸納為，當前在設計基于FDM技術的3D打印機的送料機構和擠出機構時，沒有針對打印耗材為熔融材料（例如塑料）這一特點，采取更實用、更好的工藝措施。因此，本文提出的研究思路為傳統工業(yè)技術中塑料成型和注塑模設計領域有較多的成熟經驗可以參考和借鑒。機械行業(yè)標準JB/T 7267-2004《塑料注塑成型機》雖然已于2017年被廢止，但是仍有一定的參考意義，目前該標準無新的替代標準出臺，所以可以參考此類技術現行的一些企業(yè)標準。此外在塑料注塑成型方面，諸如GB/T 17037.1-1997《熱塑性塑料材料注塑試樣的制備 第1部分：一般原理及多用途試樣和長條試樣的制備》、GB/T 17037.4-2003《塑料 熱塑性塑料材料注塑試樣的制備 第4部分： 模塑收縮率的測定》等相關現行國家標注或行業(yè)標準都可以被借鑒。

4 基于FDM技術3D打印機成型精度的研究方法和技術路線

不論是借鑒傳統工業(yè)中的金屬切削機床或是注塑機的塑料成型，現有的成熟的技術規(guī)范和技術標準都是有參考價值的技術資料。在比對基于FDM技術的3D打印機和金屬切削機床或是注塑機的結構相似處與不同之處的基礎上，結合現有的技術標準和技術規(guī)范，查找誤差形成的原因和提高精度的方法。在此基礎上，本論文提出的研究思路下，研究方法為在分析理清3D打印機誤差形成原因和如何提高精度等問題后，對系統結構原理和部分零部件進行優(yōu)化設計。

具體來說，通過研究基于FDM技術3D打印機的工作原理、系統結構、零部件結構、切片軟件、實際打印過程、產品精度檢測、誤差分析、基于FDM技術的3D打印機結構與機床結構優(yōu)化性比較分析、基于FDM技術的3D打印機結構與注塑機結構優(yōu)化性比較分析，最終提出改進性方案和意見。通過借鑒機床結構原理和注塑機結構原理中的成熟技術和經驗，提出若干技術規(guī)范要求，重新設計部分零部件，改進系統組成結構和運行原理。從改進基于FDM技術的3D打印機設計方案和定制其若干安裝、調試和修理的技術規(guī)范的方法上，實現提高基于FDM技術的3D打印機打印精度的目標。

具體來說，針對經濟型基于FDM技術的3D打印機和工業(yè)型基于FDM技術的3D打印機的結構和工作原理可能有所不同的角度，分別選擇其有代表性的機器結構類型，可以擬定基于FDM技術3D打印機成型精度的研究技術路線，如圖1所示。

5 此種基于FDM技術3D打印機成型精度研究思路的意義

以機床結構設計的角度來看待和優(yōu)化基于FDM技術的3D打印機，是一種創(chuàng)新性思維。以注塑機結構設計的角度來考慮基于FDM技術的3D打印機中的擠出機構和送料機構，力求去除模糊化設計，精確性的保證3D打印機的打印精度，也是一種創(chuàng)新性思維。而讓3D打印技術與傳統工業(yè)技術更緊密的結合，從傳統工業(yè)技術中吸收借鑒好的經驗和成果，確保并提高3D打印機的成型精度，是一種具有可行性的研究思路。

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