王琛 訾然 陸雪億 于嘉浩
摘 要:熔融沉積制造是3D打印領域里應用最廣泛的技術之一。本文對該3D打印技術的工藝原理進行了介紹。從制作工藝角度,對使用該技術制作家具模型時出現的問題進行了分析,歸納了該技術應用于家具模型制作時的技術要點,以推動該3D打印技術在家具模型制作領域的應用。
關鍵詞:熔融沉積;家具模型;工藝研究
隨著3D打印技術的不斷發展,越來越多的3D打印技術被推向市場。但由于受設備價格和材料成本的限制,目前市場上應用最廣泛的是熔融沉積3D打印技術,以普及型桌面級設備為主。[1]相比其他3D打印技術,熔融沉積3D打印具有制作工藝簡單、材料成本低、操作簡易等特點。[2]一些家具制造企業的設計部門使用熔融沉積工藝,用于新產品的開發和家具模型的制作。本文通過對熔融沉積3D打印工藝的研究,依據實際打印經驗,歸納出熔融沉積工藝的技術操作要點,為熔融沉積3D打印在家具模型制作領域的應用提供技術參考,以促進該3D打印技術在家具模型制作領域的推廣。
1 熔融沉積3D打印技術
熔融沉積3D打印的工藝原理是將絲狀的熱塑性材料按指定溫度熔化,使材料保持半液體狀態。在計算機代碼的控制下,擠出頭沿零件截面輪廓和填充軌跡運動,同時將熔化的材料擠出,材料迅速固化,并與周圍的材料黏結。當完成一層截面的沉積后,成型平臺下降預定高度,繼續下一層的沉積。如此重復,層層堆積完成實體模型。[3]
2 熔融沉積3D打印技術制作家具模型的技術要點
熔融沉積工藝在3D打印各類工藝中應用最廣泛,但在家具模型制作中仍存在不少技術難題和自身局限性。本研究使用的是國產熔融沉積3D打印機,通過多次實驗測試,觀察打印效果,分析打印問題。總結出熔融沉積3D打印技術制作家具模型時需要注意的技術操作要點,技術操作要點總結如下。
2.1 模型設計要點
熔融沉積3D打印不適合制作細長結構的零件。以圈椅模型的椅腿為例,當椅腿豎直布置時,由于模型底部和打印平臺粘連的面積太小,會出現底座粘連不牢,導致模型底座脫離打印平臺,繼而模型無法打印成型。當椅腿水平布置時,由于椅腿與打印平臺接觸面積較大,打印過程中,受打印平臺溫度和冷卻速度的影響,椅腿容易出現翹曲等問題。因此,熔融沉積3D打印技術不適合制作纖細輕巧的家具部件,粗壯厚重的家具部件更適合用該工藝進行加工。模型設計時應適當將各部件的尺寸加大。同時,也需要保證整體與部件互相協調,取得整體與局部之間的比例勻稱美。
2.2 模型布置要點
模型布置是3D打印操作中的關鍵步驟,模型布置的好壞直接影響模型打印的質量。熔融沉積3D打印技術的切片軟件在生成加工G代碼時會添加支撐結構。支撐結構的作用是輔助打印模型的懸空部分,支撐結構多為片狀構造。片狀構造是為了方便拆除,但由于熔融沉積工藝支撐結構使用的材料和模型主體材料一致,在拆除支撐結構時,會產生毛刺,影響模型的表面質量。因此,使用熔融沉積3D打印技術制作家具模型時,應盡量避免產生支撐。平躺的布置方式可以避免產生支撐結構,從而保證模型的表面質量。
2.3 臺階效應
熔融沉積快速成型過程中會產生“臺階效應”。[4]因為模型表面由一層層圓形截面沉積而成,表現為“臺階狀”效果。“臺階效應”受到分層厚度和成型夾角(模型和打印平臺間的夾角)的影響。[5]分層厚度越大、成型夾角越小,臺階效應越明顯。[6]放置位置的不同直接影響模型的成型夾角。因此,減少“臺階效應”的優化方案就是要增加成型夾角,尤其是體現模型主體外觀的曲面,增大夾角后,可以獲得最佳成型效果。
2.4 模型變形
模型變形是熔融沉積快速成型過程中經常出現的問題。原因包括以下幾個方面。第一,模型的不同部分在冷卻過程中有不同的收縮率。第二,快速成型機擠出頭的側面有冷卻風扇,導致模型各部位原料冷卻速度不同。優化方案如下:首先,3D打印控制軟件中擺放模型時一般以平面作為底面,如果模型有多個平面,應選擇面積較小的面,以減少成型材料冷卻收縮引起的變形。其次,3D打印控制軟件中布置模型時,應盡量讓成型底面的長邊與冷卻風扇的散熱方向保持垂直,以減少由風扇散熱引起的冷卻不均。
3 結語
在3D打印各類工藝中,熔融沉積3D打印的成型原理最簡單,普及度最高。本文對熔融沉積3D打印技術的工藝原理進行了分析,總結出該工藝用于制作家具模型時需要注意的技術要點,為使用該工藝制作家具模型提供技術參考,以推動熔融沉積3D打印技術在家具模型制作領域的應用。
參考文獻:
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作者簡介:王琛,男,南京林業大學家居與工業設計學院實驗師,主要研究方向:工業設計工程。