基于FDM 技術的3D 打印制件缺陷產生原因及解決方法的概述

徐紹娟，胥 鵬，周 敏

(成都工業學院，四川 成都610000)

FDM(Fused Deposition Modeling)工藝即熔融沉積制造工藝，由美國學者Scott Crump 于1988 年研制成功。熔融層積成型技術是將絲狀的熱熔性材料加熱融化，同時三維噴頭在計算機的控制下，根據截面輪廓信息，將材料選擇性地涂敷在工作臺上，快速冷卻后形成一層截面。一層成型完成后，機器工作臺下降一個高度(即分層厚度)再成型下一層，直至形成整個實體造型。其成型材料種類多，成型件強度高、精度較高，主要適用于成型小塑料件。

在3D 打印技術中，FDM 的機械結構最簡單，設計也最容易，制造成本、維護成本和材料成本也最低，因此被廣泛地用于桌面級3D 打印機中。對個人而言可以用其打印想要的模型，對家庭而言可以用其打印實用的工具，對學校而言可以用其進行教學科普。在中國國家工業和信息化部等3 部門發布實施的《中國制造2025》“1+X”規劃體系中，“1”是指《中國制造2025》，“X”是指11 項配套的實施指南[1]，這其中重要的一項就是增材制造發展規劃指南。可見增材制造特別是3D 打印技術將迎來歷史性發展機遇。這使得3D 打印的應用范圍不斷擴大，隨之而來的，就是成型過程中所產生的各種問題缺陷，這些問題缺陷給操作者帶來困難的同時也極大地阻礙了該技術在3D 打印中的應用與發展。本文就FDM 技術用于3D 打印過程中各種缺陷的產生原因及解決方法進行研究，降低廢品率，最大限度提高成品制件質量。

1 3D 打印設備及原料

由于3D 打印制件成品質量受打印設備、打印材料、打印參數、模型和環境因素等多方面因素的影響[2]，結合目前所擁有的條件，僅對在同一打印設備和材料，同一實驗環境下的不同打印參數對缺陷產生的影響做研究。

本實驗采用的打印機型號為創想三維公司的CR-3040S，成型尺寸為300mm*300mm*400mm，噴頭直徑為0.4mm，打印平臺可拆卸，如圖1 所示;所使用的打印材料為美國Natureworks 公司的4032D PLA(聚乳酸)原料，直徑為1.75mm;所使用的切片軟件為Cura。

圖1 CR-3040S 打印機

2 3D 打印過程中的缺陷

通過實際實驗和資料收集，3D 打印過程中制件存在的缺陷主要有以下幾類：

(1)翹曲：打印模型底部一邊或多邊彎曲翹起，與打印機平臺分開，如圖2-a 所示。翹邊會導致發生翹邊現象的一端不能正確成型，從而致使整個打印模型報廢。

(2)模型脫落：在打印過程中模型從打印機平臺上整體脫落。模型脫落現象發生后會導致絲材擠出后不能到達指定的位置，致使模型報廢。

(3)層間位錯：在打印過程中相鄰的兩層發生位錯，致使層與層之間分開，如圖2-b 所示(脫落，底板位移，噴頭位移等)。

(4)坍塌：模型在打印過程中某層發生塌陷，導致模型不成型，如圖2-c 所示。

(5)拉絲：在本不應該填充絲材的地方仍有絲材送出，如圖2-d 所示。難以徹底去除，影響模型的美觀，浪費材料。

(6)斷絲：打印所用的絲材發生斷裂。如未及時發現，將會導致打印機“空打”，最終打印過程不能正常進行，未成型模型報廢。

(7)附著底板與模型粘連。如圖2-e 所示，影響模型的美觀，對于工具模型來說，還會影響其使用性能。

(8)打印支撐與模型粘連。如圖2-f 所示。

圖2 各類缺陷圖示

3 缺陷原因分析

通過設計實驗，對實驗結果進行觀察分析，各類缺陷產生原因如下：

3.1 翹曲

(1)由于底板溫度過低導致冷縮現象加劇，從而出現翹邊現象。

(2)可能是由于美紋紙重疊粘貼導致美紋紙對底板的粘合力減小，從而出現翹邊。在實際試驗中觀察到，翹邊現象幾乎全部都發生于兩張美紋紙重疊粘貼的部分，測試發現，美紋紙對底板的粘合力遠大于美紋紙對美紋紙的粘合力。

(2)與擺放位置有關。在實驗過程中發現當模型處于同一張美紋紙上而不是在重疊粘貼處時，少有發生翹邊現象。

(3)一次性打印的模型過多，導致打印時間增長，增加了翹邊的幾率。

(4)噴頭與打印平臺之間的距離過小，導致附著板未能正確打印成型。

3.2 模型脫落

(1)模型與打印機平臺之間的附著力小。

(2)打印的模型與打印機平臺的接觸面積小，不足以支撐模型，從而脫落。

3.3 層間位錯

(1)打印機平臺在打印過程中發生移位，導致模型與噴頭之間的位置發生變化。

(2)噴頭在打印過程中丟步或因為其它因素未能到達正確位置，導致模型與噴頭之間的位置發生變化。

(3)模型發生脫落。

3.4 坍塌

噴頭溫度過高，打印速度過快，在前一層絲材還未完全凝固成型的時候下一層的絲材就在其上擠出，導致這兩層及后面各層都不能正確成型，整體呈現一種坍塌的形狀。

3.5 拉絲

理論上，模型成型過程材料皆為連續堆積不需要噴頭懸空移動時，不會出現拉絲現象; 堆積過程需要噴頭懸空移動時，在移動的過程中打印機會停止送材，但位于噴頭處的絲材在高溫環境下處于彈性狀態，會自然地向下滑落，附著在噴頭附近，并隨著噴頭懸空移動將絲材拉扯至絲狀，形成拉絲現象[3]。

3.6 斷絲

主要原因為打印絲材質量出現問題。由于打印絲材多為PLA、ABS 等高分子材料，均具有一定的吸濕性。以PLA 為例，保存在真空袋中的PLA 絲材保質期在兩年左右，而當PLA 存放于暴露的環境中時，大概3-6 個月后開始逐漸變脆，停機狀態下，擠出機導管內的余料都會自然斷裂成小段。雖然PLA 不溶于水，但其吸水率高。當暴露于空氣或水中時，會導致PLA 趨向變質。

3.7 附著底板與模型粘連

(1)底板加熱溫度過高，導致附著板在打印過程中一直保持較高溫度，模型絲材擠出后不能快速冷卻，從而與附著板粘連。

(2)打印速度過快，導致附著板還未及時冷卻，模型絲材就已經擠出。

3.8 打印支撐與模型粘連

打印速度過快，溫度過高，由于支撐和模型在同層上是一起打印的，所以在模型和支撐接觸的地方極易粘連。

4 缺陷解決方法

通過對實驗結果的分析總結，提出各缺陷的解決方法如下：

(1)翹曲：對底板進行預熱，并在打印過程中保持預熱溫度;將美紋紙并排粘貼，使兩條相鄰美紋紙之間沒有重疊的部分;在模型尺寸合適的前提下盡量將模型放在一張美紋紙且不是重疊的區域;減少一次性打印的模型;通過文獻查閱以及實驗驗證，在打印噴頭溫度為200℃，打印速度為30mm/s 和成型室溫度為35℃的條件下，成型件精度較高，表面較光滑，翹曲變形不太嚴重[4]。

(2)模型脫落：在打印平臺上面粘貼美紋紙，增大模型與底板之間的粘合力;增大模型與打印平臺之間的接觸面積，可通過更換打印方向或者在建模時在模型底部添加一個大面積的底板解決。

(3)層間錯位：該缺陷主要是由于已校準的噴頭和平臺或模型之間發生不應出現的位移導致，解決辦法主要是在打印過程中盡量保持機器的平穩運行，防止外界因素對已校準的打印機產生影響。

(4)坍塌：適當降低打印速度以及打印溫度即可。

(5)拉絲：實驗發現，回抽距離對拉絲現象影響最大，回抽距離越大時拉絲現象越少，所以當出現拉絲現象時，應適當調高打印機的回抽距離。經文獻查閱和實驗，回抽速度50mm/s，回抽距離6mm，回抽后再擠出補償長度0.5mm，打印溫度185℃時打印模型，模型表面質量最優。

(6)斷絲：在使用長期開袋未使用完的材料打印之前可以通過多次彎折小段材料來判斷材料的性能，如一折就斷，那么材料已發生較為嚴重的變質，在打印的過程中就極容易斷絲;如未能折斷，則材料的性能較為完好，可以繼續使用。

(7)附著底板與模型粘連：降低底板加熱溫度;降低打印速度。

(8)打印支撐與模型粘連：降低模型的打印溫度;降低打印速度，使得絲材擠出后有足夠的時間冷卻凝固。

5 結束語

根據上述實驗研究分析，要獲得綜合性能好、無缺陷的3D 打印制件，不僅要結合打印的條件如設備、材料、模型、環境等，還要選擇合適的工藝參數組合，包括打印速度、打印溫度、模型擺放、擠出層高等，并應在打印過程中密切關注模型質量，一旦發現缺陷應及時停止，并針對缺陷進行分析，調整打印參數，以獲取性能良好的打印制件。本文就基于FDM 技術的3D 打印制件常出現的幾類缺陷的原因和解決方法做出了研究分析，為FDM 技術的推廣應用以及相關的操作人員提供參考。