子夏樓簡易模型的3D打印成型技術研究*

毛飛龍，王小亮，許寶卉，張 潔，尹恩攀

(1.運城學院 機電工程系，山西 運城 044000；2.運城學院 體育系，山西 運城 044000)

0 引言

3D 打印是一種增材制造，根據三維模型數據進行離散化/切片，計算出每種產品的數千個橫截面，確定每層的構造方式，通過層堆的方式直接制造出各種結構的產品[1]。3D打印技術分為熔融沉積成形技術(FDM)、分層實體制造技術(LOM)、光固化立體成形技術(SLA)、激光選區熔化技術(SLM)、金屬激光熔融沉積技術、電子束選區熔化技術(EBSN)和電子束熔絲沉積成形技術等[2,3]。3D打印技術以其具有的數字化、智能化、個性化優勢特點，被廣泛應用于工業制造、生物醫學、建筑工程、教育教學等各個領域，并發揮著巨大的作用[4-10]。

在打印技術及應用研究方面，程睿[11]綜述了3D打印在柔性塑料加工應用的最新研究成果，尤其在柔性聚乳酸塑料、柔性聚氨酯塑料、柔性聚酰胺塑料及其他柔性塑料加工方面的應用現狀；劉秀娟等[12]介紹了3D打印一體化結構設計在不同領域產品設計中的應用實踐情況；畢永豹等[13]研究了填充密度、層厚、打印速度等工藝參數對3D打印制品的密度、打印時間、彎曲強度、彎曲模量和動態力學性能等方面的影響；張明悅等[14]研究了不同打印平面和打印角度對成型試樣力學性能的影響。在教育教學研究方面，長江工程職業技術學院以模具專業的3D打印技術課程為研究對象，探索理論與實踐一體化教學工作的教學設計的可行性[15]；福州船政交通職業學院探討了在工業設計專業的工業產品造型設計課程中將CAD三維建模與3D打印技術相結合的教學實踐，增強了學生在產品設計創新性、結構設計合理性方面的核心競爭力[16]。中國科學技術大學博士以微納米調料改性聚合物為原材料，利用擠出式3D打印設備來制備不同功能特性的納米復合材料，研究了所制備的復合材料的性能[17]。

本文以運城學院地標建筑子夏樓為目標，采用三維建模軟件UG NX構建子夏樓簡易模型，并對模型進行分割及3D打印，旨在研究3D打印過程中工藝參數對打印質量的影響，并以子夏樓模型為載體，提煉3D打印成型過程的關鍵控制參數。

1 子夏樓簡易模型的建立

圖1為運城學院圖書館子夏樓實景圖。采用百度地圖軟件工具箱中的測距功能，結合實地丈量、比例換算等方法，獲得了子夏樓的近似尺寸。采用三維建模軟件UG NX，根據獲得的數據，建立子夏樓三維模型。為了使子夏樓模型能夠以實物方式呈現于桌面，對子夏樓三維模型進行了相應的比例縮小，進而獲得子夏樓簡易模型，其整體尺寸(長×寬×高)為570 mm×250 mm×400 mm，如圖2所示。

圖1 子夏樓實景圖 圖2 子夏樓簡易模型

2 子夏樓簡易模型的物理分割

子夏樓建筑體由4大部分組成，分別為A、B、C、D座，其俯視布局圖如圖3所示。受實驗室3D打印機打印范圍限制，按照“分座分割—層層分割-特征分割”的物理分割原則，將子夏樓簡易模型總體分割為A、B、C、D四大部分，每一部分又按層分割為若干個小部分，每小部分又根據特征分割為可用于打印的一個個小零件體，由此獲得了約150個最小單元體。

圖3 子夏樓俯視布局圖

3 3D打印流程及參數設定

3D打印的主要流程包括四部分，即模型構建、切片處理、打印過程和打印后處理。

3.1 模型構建

模型構建是采用三維繪圖軟件對所要打印的實體進行實體建模，以形成數字模型文件。對子夏樓采用三維軟件UG NX建模，并將物理分割完成后的每個零件轉化為.STL數字模型文件。

3.2 切片處理

子夏樓簡易模型的切片處理均采用Ultimaker公司設計的切片軟件Cura15.04.6完成，其界面具有人性化強、易操作等特點，可實現對3D模型在瀏覽區的翻轉、平動、打印參數設定等工作。以子夏樓C座一層模型為例，將模型導入該軟件并調整完模型放置位置后的界面如圖4所示。

圖4 切片軟件Cura導入模型的界面

3D模型導入切片軟件調整好位置后，需設定切片處理的參數，如層厚、壁厚、填充密度和支撐類型等；隨后，需結合3D打印機的情況設定打印參數，相關參數設定如表1所示。

表1 切片及打印參數設定

參數設定完成后，將3D模型數字文件另存為3D打印機可讀取的.gcode文件，將該G文件通過切片軟件聯機發送至3D打印機即可進行打印，或者存入U盤直接插入3D打印機的USB接口即可進行打印。

3.3 打印過程

子夏樓簡易模型中所有零件的3D模型均采用基于FDM技術的神舟微科桌面級3D打印機進行打印，最大成型體積為200 mm×200 mm×200 mm，耗材選擇直徑為Φ1.75 mm的熱塑性材料PLA。3D打印機在開機啟動后，重要一步是打印平臺的調平，隨后通過導管將耗材送入打印機噴嘴口，設定噴頭溫度為220 ℃，底板溫度為標準的70 ℃，耗材的擠出速度與噴頭移動速度相同，均按各實驗組參數設定。

3.4打印后處理

3D打印機完成工作后，取出物體，做后期處理。后期處理通常為去除多余材質，有時也對模型中預留的孔、肋等結構進行修正。

4 模型打印過程分析及研究

通過對子夏樓簡易模型約150余個零件體的3D模型打印，并對打印后的零件體進行組裝，并整體放置于透明亞克力板，得到了子夏樓的整個3D打印模型，如圖5所示。

圖5 子夏樓簡易3D打印模型

4.1 打印缺陷分析

基于FDM打印原理，在完成子夏樓簡易模型的3D打印過程中，以子夏樓C區部分結構為例，實驗組1～3打印的模型均出現了粘連、錯層、塌陷和翹邊等缺陷問題，如圖6所示。這些缺陷單獨或連鎖出現，需要分析其產生原因。

圖6(a)所示模型采用了實驗組1的打印參數，可以看出在打印的最頂面出現了粘連缺陷。產生該現象的主要原因是填充密度(10%)過小，導致內部網格間隙大，生產頂層平面時噴嘴吐絲不能及時附著原有體。當實驗組2～4調整填充密度(20%)后，均未出現同類問題。

圖6(b)所示模型采用了實驗組2的打印參數，可以看出在模型底面有部分不完整平面及錯層現象，周邊有小立柱塌陷。出現錯層或不完整平面的原因是底層厚度設定的0.4 mm值偏小，難以支撐上部結構，且打印速度還提高到80 mm/s，導致第一層打印材料不能及時冷卻附著于平臺；出現塌陷的原因是模型結構的尺寸過小，附著面積小。當采用實驗組4的打印參數進行模型打印時，未出現同類問題。

圖6(c)所示模型采用了實驗組3的打印參數，可以看出在打印后期從打印平臺上取出模型后，放置一段時間出現了邊緣翹起現象。出現該問題的原因是模型底部面積大且底層壁厚薄，雖設定了底層厚度為0.6 mm，但打印速度設定為80 mm/s，使得打印過程中耗材在該速度下吐絲存在一定內應力。當采用實驗組4的打印參數，調整打印速度為60 mm/s后，后續模型打印過程有明顯改善。

圖6 打印過程出現的缺陷問題

4.2 工藝參數對打印質量的影響分析

基于FDM打印原理的3D打印模型出現了不同質量缺陷，其影響因素有模型結構、切片軟件工藝參數和打印機功能參數3個方面，其中對最終模型質量影響較大的因素是切片軟件的工藝參數，即切片層厚、切片壁厚、填充密度和打印速度等。

切片層厚為分隔模型時每層的打印厚度，模型高度一定，層厚越小，層數越多，打印時間越長，精度越高，打印質量越好。

切片壁厚為模型所有外露面的壁厚，切片壁厚越大，模型的強度越高，打印時間越長，若采用3D打印結構作為支撐件的模型，需增大切片壁厚，提高質量。

填充密度為上述模型抽殼處理后，殼體內部網格填充體積與整個殼體體積之比。填充密度越小，網格越稀疏，網格間隙過大易出現粘連缺陷問題導致打印質量差；反之，填充密度越大，網格越密集，打印質量好，而通常填充密度為≥20%時，基本可以保證模型強度。

打印速度為噴嘴帶動熔融態耗材在打印平面內的移動速度，是影響打印時間的主要參數。當打印速度過快時，會出現耗材在噴嘴內加熱時間不足，出現耗材拉絲或變細情況，同時與底層粘接時間短不利于冷卻固化，進而影響打印質量。因此，通常情況下，打印速度在30 mm/s～100 mm/s范圍內，高質量打印建議設定在60 mm/s以內。

經過多次打印總結經驗，最終在子夏樓簡易模型的所有小零件體的打印過程中采用了實驗組4的打印參數：打印溫度220 ℃，打印平臺溫度70 ℃，切片層厚0.2 mm，切片壁厚0.8 mm，填充密度20%，打印速度60 mm/s。

5 結論

(1) 采用三維建模軟件UG NX構建了子夏樓簡易模型，整體尺寸為570mm×250mm×400mm,并根據結構特征、打印要求將其物理分割為A、B、C、D四大部分約150個小零件體。

(2) 通過多個實驗組打印參數對比分析了子夏樓簡易模型打印過程中出現的粘連、錯層、塌陷、翹邊等缺陷問題，其影響因素主要有模型結構、切片軟件工藝參數、打印機功能參數三方面。

(3) 分析了各工藝參數對子夏樓簡易模型打印質量的影響，最終設定了合理參數：打印溫度220 ℃，打印平臺溫度70 ℃，切片層厚0.2 mm，切片壁厚0.8 mm，填充密度20%，打印速度60 mm/s。