基于斜面結構產品FDM 式3D 打印方法的研究及應用

馬永軍,杜海平，高靈寶,虎 成,周子翔

（共享智能鑄造產業創新中心有限公司，寧夏銀川 750021）

1 背景

熔融沉積成型（FDM）是3D 打印技術的一種，在3D 打印領域有著至關重要的地位。FDM成型技術主要依靠打印頭和打印平臺的移動實現三維立體模型[3]的構建。在整個熔融沉積成型（FDM）過程中，線材[4]扮演著至關重要的角色，FDM 設備將材料在半流體狀態時擠壓出來，材料瞬時凝固成有輪廓的薄層，層層的堆積形成整個三維零件。其優點在于尺寸精度穩定，使用壽命長，制作周期短，逐步開始應用在了鑄造行業中。

該研究方案針對采用FDM 技術[5]打印帶有斜面結構產品時產品斜面部分在精加工時出現孔洞的缺陷，提供了一種用于打印帶有斜面結構產品的FDM式3D 打印方法，通過設定斜面結構的表皮層和延伸量，來增加斜面結構的實體區域，從而實現斜面區域的實體打印，避免了斜面上孔洞的出現，保障了產品的工作強度。

2 實際生產過程中存在的問題

FDM 的桌面機[6]雖然打印技術十分成熟，但是在鑄件模具尺寸大的情況下，通用的擠出絲線寬度在2～20mm，成型后為了確保表面的尺寸、粗糙度等精度，需要進行精加工。而在精加工的過程中，經常會發現在產品耐受工作范圍內有孔洞，特別是對于帶有斜面結構的產品，從而影響了產品的使用強度，造成產品報廢或者需要返工處理。

隨著行業領域對產品精度要求增強，擠出絲線寬度要求越來越高，對于FDM生產的斜面結構產品精度增加。根據目前現有設備狀態，打印帶有斜面結構產品時產品斜面部分在精加工時出現孔洞的缺陷，造成產品報廢或者需要返工處理進而增加成本，這就成了我們急需解決的問題。

3 斜面產品打印方法原理

本課題研究采用FDM技術打印[6]大型斜面產品時，為了提高打印速度、提升產品質量，并且不影響產品的使用強度的前提下，將產品的內部結構分為網格區域和實體區域，其中實體區域是用來保證產品的整體強度，流程圖如圖1 所示。

圖1 FDM打印流程圖

本打印方法用于打印多圈輪廓、多個輪廓產品，包括以下步驟：

第一步，采用三維切片技術將產品的三維模型切片（記為X 片），讀取每個切片面的三維數據信息，并將所述三維數據信息轉化成二維圖形數據格式。

第二步，調用所述打印產品的表皮層層數N和延伸量A。

說明1：表皮層是指產品表面需要加工區域預留的加工量與為滿足產品使用強度要求的實體區域厚度的總和；

說明2：延伸量即對某一區域向外擴展延伸的尺寸；

說明3：所述表面層層數N 和延伸量A 為兩個固定的常數。

第三步，求取當前第X 層的表面層區域，即第X 層和第X+N 層（即第Y 層）兩層的相對補集（或者叫作差集X-Y）。

第四步，將所述相對補集X-Y 按照設定的延伸量A 增大到Z。

第五步，求取所述二維數據Z 與所述第X 層的交集X∩Z，所述交集X∩Z 即為所述第X 層上對應的表皮層區域。

第六步，將所述交集X∩Z 調取到打印數據庫，實現表皮層的實體打印。

第七步，對產品的每層切片進行以上六步的處理，即可實現產品斜面部分整體實體區域的打印。

下面通過具體實施并結合附圖對本打印方法做進一步的詳細描述。

如圖2 所示帶有斜面的產品，按照三維切片工藝分為16 層。按照產品的工藝、質量要求，產品的表皮層層數N=3，其延伸量A=4mm。

圖2 實施例產品的切片示意圖

計算第一層切片上的表皮層區域的方法是：取第1 層與第4 層的相對補集如圖3 所示的深色區域，接著將所述相對補集的四周增大4mm，再用增大后的相對補集的二維數據與第1 層切片的二維數據求取交集，即可得到第1 層切片上對應的表皮層區域。按照此方法求取所述斜面產品16 層切片上分別對應的表皮層區域，將所述表皮層區域的數據傳輸到打印數據庫，即可實現產品斜面表皮層的實體打印，如圖4 所示，從而保證了產品整體的工作強度，同時避免了產品斜面在精加工中出現孔洞的缺陷。

圖3 求取相對補集的示意圖

圖4 求取斜面實體打印區域示意圖

4 實際應用

因為在實際FDM打印生產過程中，產品斜面角度過大，對產品進行精加工時，表面就會出現空洞缺陷，導致產品無法使用而報廢，造成經濟損失。通過設定產品表皮層的實體打印區域，保證了產品的整體質量，縮短成型時間，提升打印效率。

應用上述FDM 打印方法實現斜面結構的產品，通過設定斜面結構的表皮層和延伸量，來增加斜面結構的實體區域，解決產品結構過大，出現空洞缺陷的情況，從而增強了產品的使用強度，減少產品報廢或者需要返工處理的時間。

5 結論

本文研究的是帶有斜面結構產品的FDM 式3D 打印[7，8]方法，通過設定產品表皮層的實體打印區域，保證了產品的整體質量，且通過設定表皮層的厚度和延伸量的大小，實現了產品每層切片上表皮層打印區域二維數據的確定，從而為打印提供了基準。

此方法避免了FDM打印過程中表皮塌陷，提升了斜面成型質量，縮短了表面成型時間。同時由于表面的實體打印，避免了由于斜面角度過大，在精加工時出現的表面孔洞缺陷。