FDM快速成型加工工藝問題研究

王琛?于嘉浩?陸雪億

摘 要：本文介紹了熔融沉積型快速成型的工藝原理，結合實際加工過程中出現的工藝問題進行探究，提出工藝問題解決方案，對提高原型件成型質量具有一定的參考價值。

關鍵詞：熔融沉積;快速成型;工藝問題

快速成型技術是集計算機、新材料、自動控制等諸多前沿科技為一體的綜合性技術，正以其獨特的創造性改變著人們的生活。熔融沉積制造（簡稱FDM）是主流的快速成型技術之一，又稱絲狀材料選擇性熔覆，[1]其通過自動控制代碼將熔融狀的成型原料涂覆成實體模型。該技術不斷成熟，正以其良好的性能、低廉的成本，逐漸成為最受歡迎的快速成型技術。

1 工藝原理

熔融沉積制造是將絲狀的成型材料按指定溫度融化，使材料保持半液體狀態，通過擠出頭均勻擠出，在計算機代碼的控制下，有選擇地沉積在成型平臺上，迅速冷卻并固化。[2]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]熔融沉積制造的工藝流程包括3個主要過程：前處理過程、成型過程、后處理過程。前處理過程包含建立模型、模型布置、切片處理。后處理過程包含去除支撐、拋光打磨。

2 加工工藝問題分析

2.1 前處理誤差

前處理過程中，FDM工藝的誤差機理主要是切片誤差。[4]切片過程產生的誤差主要包含Z軸方向的尺寸誤差和臺階效應誤差。其中最常見的是臺階效應誤差，由于三維實體模型是通過片層輪廓線的形式來描述，片層輪廓線形狀的不同以及相鄰片層之間的高度差造成堆積時的臺階狀效果，也被稱為臺階效應。[5]臺階效應誤差包含正偏差和負偏差。當一定厚度的切片與三維實體模型相交，選取較大截面作為切片截面時，產生的偏差為正偏差。反之，選取較小截面作為切片截面時，產生的偏差為負偏差。正偏差適用于各種原型件的制造，既可以保證原型件的尺寸，又可以通過打磨等后處理工藝提高成型表面質量。負偏差適用于模具的制造。

臺階效應誤差與切片厚度、模型表面曲率有關。減少誤差的優化方案是減少切片厚度，當切片厚度減少時，相鄰片層之間的高度差也隨之減少，模型在Z軸方向上的堆積更加密集，臺階效應誤差減小。但是，切片厚度的減少會導致片層數量的增加，使得STL文件的數據量增加，成型時間變長。

2.2 支撐設定

FDM成型過程中，原型件的懸空部分需要增加支撐結構，支撐結構的材料有許多種，包括水溶性支撐材料和易剝離性支撐材料。[6]目前，大部分FDM快速成型機使用易剝離性支撐材料，即把成型原料作為支撐材料。因此，存在兩個問題：一是支撐材料的去除會影響原型件的表面質量;二是如何調整原型件的放置位置，以達到節省支撐材料的目的。

支撐材料的去除會給成形表面帶來毛刺或凹痕，這個問題難以避免。由于FDM快速成型機的成型精度的限制，優化方案只有通過后處理工藝得以實現。節省支撐材料的優化方案是在保證支撐結構合理的前提下提出的，優化方案如下：一是在保證原型件表面質量的基礎上，盡量減小支撐投影面積，以減小支撐材料的消耗。二是成型控制軟件對原型件切片的過程中，會產生不同的支撐方案，在不影響原型件結構的情況下，選擇支撐最少的方案。

2.3 后處理工藝

由于成型精度原因，FDM快速成型機打印的原型件經常達不到預期的效果。具體表現如下：一是臺階效應產生的臺階狀紋理;二是去除支撐材料時產生的毛刺或凹槽。

優化方案為通過后處理工藝來提高原型件的表面質量。后處理工藝包含機械方法和化學方法。機械方法即通過銼刀、砂紙等工具進行打磨拋光。打磨拋光的目的是去除原型件表面的毛刺或凹槽，使原型件表面達到光亮平整的效果;主要使用工具為砂紙、紗綢布、羊絨輪等。這需要通過手工完成，耗時費力，但后處理效果理想。化學方法通過丙酮蒸汽對原型件表面進行拋光。主要使用工具為：加熱平臺、密閉器皿、錫紙等。由于丙酮可以溶解塑料，隨著丙酮蒸汽的擴散，原型件表面逐漸融化，臺階狀紋理逐漸平滑，毛刺和凹槽逐漸消失，原型件表面變得光亮平整。但是，丙酮蒸汽法需要控制好火候，熏蒸時間過長會使模型過度融化。

3 結語

熔融沉積型快速成型作為一種便捷高效的快速成型方式，已經從實驗室逐步走向人們的生活。本文闡述了該工藝的工藝原理，探索實際加工過程中出現的工藝問題，通過實踐經驗和實驗研究，提出工藝問題解決方案，對該工藝的普及應用具有借鑒和啟發作用。

參考文獻：

[1] 王琛，蔣玉婷，陸雪億.拼合蛋椅模型的設計與制作[J].藝術科技，2019（09）：71.

[2] 瞿娟，郁舒蘭.表情包的形態語義分析和認知[J].戲劇之家，2019（04）：222-223.

[3] 藺秀媛，閆小星，尹太玉.多功能臥具設計分析[J].藝術科技，2019（07）.

[4] 第燁，靳文奎.基于老年人懷舊傾向的交互產品設計研究[J].戲劇之家，2019（14）：141-143.

[5] 高玲玲，徐偉.縮短有限定制沙發平均生產周期的方法研究[J].家具，2019，41（2）：13-17.

[6] 姚月姝，祁憶青，王丹.冬季室內有害揮發物釋放特征及防治措施[J].家具，2018，39（2）：11-14+23.

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。