熔融3D打印機精度的影響因素及解決方法探討

摘" 要：該文從硬件和軟件2部分分析影響3D打印精度的因素。從硬件角度，3D打印機存在機體裝配精度不夠、鐵氟龍管堵塞或松動、噴頭磨損和耗材受潮的不足；從軟件角度，參數設置不合理。上述問題都會影響3D打印精度，因此針對不同因素提出有效的改善措施。該文的分析總結對3D打印用戶及廠商有指導作用，對熔融3D打印技術極具推廣使用價值。

關鍵詞：3D打印；精度；熔融；打印機；影響因素

中圖分類號：TQ320.66" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）11-00８0-0６

Abstract： This paper analyzes the factors that affect the accuracy of 3D printing from two parts： hardware and software. From the perspective of hardware， 3D printers have deficiencies such as insufficient assembly accuracy of the body， blocked or loose teflon tube， wear of sprinkler heads and damp consumables. From the software point of view， the parameter settings are not reasonable. The above problems will affect 3D printing accuracy， and effective improvement measures are put forward according to different factors. The analysis and summary of this paper plays a guiding role for 3D printing users and manufacturers， and is of great value in popularizing and using fused 3D printing technology.

Keywords： 3D printing; accuracy; melting; printer; influencing factors

隨著科學技術的進步，近年來增材技術快速發展。增材技術中的3D打印技術在機械制造、航空航天、醫療領域和建筑等行業廣泛應用[1]。熔融沉積快速打印具有使用材料便宜、設備維護及運營成本低、占用體積小、材料環境友好、個性化定制和對復雜零件進行加工的優勢，目前已經成為發展最快的快速成型技術[2]。由于3D打印發展時間短，軟件、硬件技術相對不成熟，在應用上受加工精度及材料性能影響較大，這些問題都制約了3D打印技術的應用發展。例如，在工件在加工過程中容易受到3D打印機裝配精度影響，造成工件表面出現層紋；材料受潮導致噴頭堵塞，造成工件加工時出現斷層；參數設置不匹配，影響工件打印質量[3]。

1nbsp; 影響因素及討論

1.1" 噴頭磨損

現有市面上3D打印機噴頭大部分都是黃銅材質，其余為不銹鋼噴頭、鋁合金噴頭、寶石噴頭、硬化鋼噴頭及碳化鎢噴頭等，各個材料的莫氏硬度不同，造成噴頭的磨損程度不同[4]，具體噴頭性能參數見表1。導致拉絲的原因之一是噴頭磨損（圖1），噴頭的移動距離與層高和擠出寬度有關，擠出流量與噴頭大小和擠出機實際擠出的耗材長度有關。實際層高與設置層高不符、噴頭磨損，抑或是擠出機沒有經過校準，都會出現溢料、刮料和拉絲等現象。經常打印的話，建議3～6個月更換一次噴頭。

1.2" 鐵氟龍管堵塞及松動

鐵氟龍管有潤滑功能，耗材絲與鐵氟龍管內壁長期摩擦，使鐵氟龍管內壁粗糙，阻力增大，導致耗材擠出與回抽不順暢，造成缺料與漏料。長時間打印后，鐵氟龍管熱端受熱變形[5]，應及時拆下氣動接頭，更換喉管中的鐵氟龍管，切掉鐵氟龍管發黑變形部分，重新插入，捅出管內異物。鐵氟龍管熱端變形如圖2所示。

鐵氟龍管安裝在氣動接頭中，鎖緊氣動接頭，防止鐵氟龍管在打印過程中出現移動的現象[6]。若排除鐵氟龍管變形問題，可能是管內潤滑效果差，耗材運送受阻，此時應給鐵氟龍管進行上油操作[7]，切兩小塊百潔布，用百潔布蘸取少量潤滑油，不要用工業潤滑油，建議使用植物油或者食用油。

把圖3中的裝置安裝在擠出機前端。預熱打印機，擠出10 cm耗材后拆除潤滑設備。鐵氟龍管連接松動，會導致在打印過程中鐵氟龍管頻繁移動，造成耗材擠出與回抽不順暢。若打印頭端氣動接頭不能牢牢固定鐵氟龍管，鐵氟龍管與打印頭之間就會出現縫隙（圖4），打印耗材會在縫隙間熔化，從而造成打印時缺料。

鐵氟龍管回正，縫隙間的耗材又會擠出到打印頭中，造成溢料漏料、拉絲等現象。解決方法有以下3種。

其一，更換氣動接頭。圖5中左下角是原廠氣動接頭，卡不緊鐵氟龍管。圖5中右側的氣動接頭安裝內部有很多齒，能緊緊鎖死鐵氟龍管，避免鐵氟龍管松動。

其二，先插入鐵氟龍管，后擰緊氣動接頭，用扎帶鎖死鐵氟龍管，如圖6所示。

其三，鐵氟龍管插入到氣動接頭中，露出一小截，使用電鉆對鐵氟龍管進行擴孔，使用夾具對鐵氟龍管進行擠壓變形，如圖7所示，重新安裝氣動接頭，可以有效解決氣動接頭對鐵氟龍管卡不緊的問題。

擠出機刨料，無法擠出耗材。解決刨料問題，可以嘗試減少擠出機的夾緊力度，降低打印速度。

1.3" 耗材受潮

耗材裸露在空氣中，水分會進入耗材。受潮耗材如圖8所示。受潮耗材經過噴頭加熱，由于噴頭打印溫度在200 ℃以上，耗材中的水分會被瞬間氣化，形成一個一個小空泡。當小空泡匯聚成大空泡，會隨著噴頭內的材料一起被擠出，此時噴頭處有異響，氣泡在不斷膨脹擴張過程中釋放壓力，壓力會阻斷材料的連續擠出，導致打印機執行回抽失敗，致使多余的材料掛在噴頭出口處[8]。

隨著噴頭的運動會出現拉絲的情況。受潮材料因水分的加入，比熱容增加。拉絲過程如圖9所示，氣泡的擴張導致耗材會從噴嘴溢出，耗材未被擠出時，噴頭從模型的一端移動到另一端會形成線穿珠一樣的拉絲情況。減少耗材拉絲的3種方法：其一，針對沒有受潮的耗材減少拉絲的辦法是降低溫度，降低黏度。其二，加溫增容，將溫度升到一定程度之后，耗材趨向于一個液體的狀態。第一種方法適合類似PLA這種低黏性耗材，第二種方式適合PLA+、ABS+這種黏性比較高的耗材[9]。其三，針對受潮的耗材，在耗材開封后，需要將其放入一個干燥的密封箱中。密封箱中倒入干燥劑，保證耗材在3D打印過程中處于干燥狀態，不會出現拉絲現象。耗材受潮后，比熱容上升，會對打印模型的質量產生嚴重的影響，尤其是打印大懸垂角度模型時影響更為嚴重。打印大懸垂角度的模型時，打印材料是一層一層向外側慢慢堆疊上去的，當打印到最外層時，由于材料里面的含水量增加導致比熱容增加，冷卻風不能使模型及時冷卻。在打印懸垂10°～70°左右的模型時，耗材在打印拐角時，模型會往上翹[10]。在打印大于70°的懸垂角度模型時，模型會往下掉[11]，如圖10所示。

3D打印不要用過期材料。PLA耗材是由玉米磨成粉后提煉出來的乳酸制成的生物塑料[12]。當PLA耗材暴露在空氣中，空氣中的微生物非常喜歡“吃”PLA耗材，會“鉆”到耗材中，把中間“吃”出各種大小不一的微孔。如果使用過期耗材進行3D打印，由于耗材卷長期的彎折，耗材絲已定型，在彎曲的地方受拉應力，會在被微生物吃掉的孔洞部分形成裂痕導致耗材絲斷裂，最終導致模型打印失敗。

1.4" 芯片算力不足

3D打印微小模型時，模型上會出現小的鼓包或者堆料的問題，此種問題是由3D打印機芯片算力不足造成的。廠商在出廠的3D打印機中都會加入斷料檢測功能。3D打印機芯片計算量一般只有100 kB/s以下，在使用斷電續打的3D打印機時，避免打印過程中突然斷電，要將一部分數據儲存在SD卡中，芯片再反復讀取數據。主板芯片處理數據速度慢，因此打印微小模型時會出現讀取速度比打印速度慢的情況，打印機在讀取完整數據后停頓在某個位置，停頓過程中擠出不會停止，這時打印機停下的位置會出現一個一個小鼓包，這種情況只會出現在打印較小模型時[13]。解決此種問題，首先保證耗材處于干燥狀態并且耗材未過期，不會出現因耗材受潮膨脹而出現的堆料情況。其次，設置打印機的打印分辨率，分辨率設置為0.01 mm。設置3D打印機關閉斷電續打功能，解決小鼓包或者堆料問題。

1.5" 主軸剛度

以Prusa MK3S型號3D打印機為例（圖11），其由一根X軸、一根Y軸和兩根并列的Z軸組成。X軸上下移動，在X軸下方有一個Y軸托起3D打印的底板，噴頭在X軸上。X軸的兩側會多一根金屬桿，絲杠穿過X軸和X軸相連下方的步進電機相連接。步進電機會帶動整個X軸上下移動，這就是I3結構3D打印機上下運動原理。

X軸和絲杠的連接是剛性連接，絲杠運動會對X軸的運動產生影響，絲杠受到加工或者運輸的影響會產生形變。變形的絲杠在旋轉移動中，會產生震動及橫向移動，移動的Z軸帶動X軸上下左右跳動，X軸帶動打印噴頭上下左右跳動，導致打印模型出現不規則的層紋[14]。為解決這種情況，要在Z軸安裝穩定器，可以有效解決不規則層紋。

1.6" 參數設置

各個廠家PLA耗材添加成分不同，黏稠程度不同，例如宜家品牌的PLA-T、PLA-F 2種耗材，打印參數不相同，打印時需要分別進行設置[15]。用TPU材料打印時，打印機參數中設置打印速度50 mm/s，正常打印速度在80 mm/s[16]。打印PETG材料的時候速度不僅要慢，散熱還需要降低。使用不同廠家的材料時，要在打印參數設置中進行校準溫度與回抽參數。回抽設置不準確，層變化時回抽。回抽距離是耗材被拉回的距離，近程擠出機一般在1 mm左右，遠程擠出機一般是6 mm左右。回抽速度是擠出機拉回耗材的速度，若速度太慢，回抽時耗材溢出，若速度太快，擠出機的齒輪會研磨耗材，導致擠出不足。設置如圖12所示。回抽裝填速度是擠出機將耗材擠出到噴嘴原始位置的速度，其速度設置在30～80 mm/s[17]。觀察擠出機的齒輪附近是否有粉塵。粉塵是由擠出機齒輪對耗材的磨損所造成的。若發現擠出機齒輪旁有較多粉塵，則應該降低回抽速度。回抽額外填裝量擠出機將耗材擠回到其原始位置時，由于在行駛過程中可能會滲出少量耗材，因此擠出機將擠出額外的耗材以補償這種損失。回抽最小空駛設置允許用戶定義打印機是否應該在短行程移動期間執行回抽，或者僅在非常大的移動中執行回抽。較小回抽最小空駛有助于防止拉絲，但可能會導致耗材磨損、刨料等問題。關于最大回抽次數，此打印設置允許用戶在給定長度的材料上設置最大回抽次數。重復回抽同一位置的耗材會出現刨料問題，從而降低打印質量。最小擠出距離范圍可以指定實施最大回抽次數的耗材長度。最大回抽設置為100，最小擠出距離窗口設置為10 mm，此情況下，擠出機只允許在10 mm長耗材上反復回抽100次。任何后續的回抽命令都將被忽略。在外壁前回抽是打印外壁前強制回抽，減少表面溢料。回抽時Z軸抬升防止噴嘴沿著模型的頂部拖動，造成劃痕或斑點。對于打印TPU材料，回抽長度與速度都需要降低，比如遠程擠出機回抽距離應小于4 mm，回抽速度小于20 mm/s。

PETG材料是一種非常黏的細絲，相比PLA耗材，回抽速度需要調低，另外空駛速度也會影響拉絲現象，若打印頭從一個點移動到另一個點的時間過長，則更有可能出現拉絲現象[18]，此時一般都設置為150 mm/s。噴頭的移動距離與層高和擠出寬度有關，擠出流量與噴頭大小和擠出機實際擠出的耗材長度有關。實際層高不等于設置的層高。擠出機沒有經過校準，會出現溢料、刮料和拉絲等現象。遇到此類問題，校準擠出倍率，支撐限制被撤銷，這個選項只有開啟支撐后才會出現，默認支撐是不啟用回抽，這可以增加打印速度，但是可能會發現支撐附近有拉絲問題，啟用后打印支撐中開啟回抽，需要注意此時會增加耗材被研磨的風險。模型部分可以更改方向，比如模型默認切片可以看到噴頭來回移動，會出現拉絲等問題，換個角度重新切片，配合梳理模式，就可以避免出現拉絲等現象[19]。模型分塊打印時，整體模型打印可能會出現拉絲問題。使用軟件將模型拆分，分體打印，就不會有拉絲問題。散熱問題，如果散熱性能差，拉的絲可能不是噴頭中溢出的耗材，而是下方打印件未冷卻的模型。這種情況需要降低打印溫度，提高散熱風扇轉速，但這么做可能會影響打印件強度，所以建議對溫度進行校準。

2" 結論

通過實際操作過程中的總結與分析，對于3D打印精度影響因素及解決方法的結論如下。

1）噴頭長時間使用會產生磨損。噴頭磨損會影響3D打印模型質量，噴頭使用3～6月建議更換。

2）鐵氟龍管長時間使用會變形，容易造成鐵氟龍管松動或者堵塞，定期檢查鐵氟龍管，對變形的鐵氟龍管進行更換，對松動的鐵氟龍管及時固定。

3）耗材長時間未使用容易受潮；打印完成后耗材未使用完，應及時將耗材放入干燥箱。

4）由于3D打印芯片算力不足，打印小模型時，減小打印速度，以增加芯片反應時間。

5）主軸剛度造成模型出現層紋的問題，建議在Z軸上安裝穩定器。

6）使用不同的耗材時，在打印機設置中進行對應設置。

參考文獻：

[1] 額日登布魯格.3D打印技術的理論與實踐[D].北京：中共中央黨校，2015.

[2] 張自強.基于FDM技術3D打印機的設計與研究[D].長春：長春工業大學，2015.

[3] 徐文鵬.3D打印中的結構優化問題研究[D].合肥：中國科學技術大學，2016.

[4] 周石林，張秀芬，劉海.FDM 3D打印成型精度試驗研究與優化[J].內蒙古工業大學學報（自然科學版），2022，41（4）：339-345.

[5] 周長秀.熔融沉積快速成型3D打印精度影響因素的研究[J].現代信息科技，2020，4（22）：133-135.

[6] 張繼光.基于3D打印零件精度及質量控制方法探究[J].冶金管理，2020（21）：65-66.

[7] 胡茂芹，王玫，王小潔，等.熔融沉積成型3D打印精度影響因素的實驗研究[J].機械工程師，2018（10）：31-33，37.

[8] 張云波.高性能FDM 3D打印耗材制備與性能研究[D].上海：上海材材料研究所，2017.

[9] 楊柏森.散熱條件對FDM絲材粘結質量的影響研究[D].大連：大連理工大學，2014.

[10] 劉新宇，張喬石，趙凌鋒，等.3D打印精度影響及翹曲成因的分析與優化[J].科技創業月刊，2016，29（11）：114-115，118.

[11] 申玄偉.熔融沉積成型3D打印中翹曲變形的仿真分析與狀態識別方法研究[D].杭州：浙江大學，2018.

[12] 金澤楓，金楊福，周密，等.基于FDM聚乳酸3D打印材料的工藝性能研究[J].塑料工業，2016，44（2）：67-70.

[13] 閆昌紅.3D打印中FDM技術的應用及成型件精度分析[J].中國鑄造裝備與技術，2021，56（5）：34-36.

[14] 張文君，方輝，袁澤林，等.桌面型FDM 3D打印設備的優化設計與精度分析[J].機械，2018，45（1）：5-10.

[15] 鐘偉華.3D打印參數對PLA力學性能和成形質量的影響研究[D].長春：吉林大學，2019.

[16] 陳小藝.基于TPU材料3D打印結構的緩沖性能研究[D].天津：天津科技大學，2019.

[17] 季晨雪.3D打印精度及運動控制技術研究[D].貴陽：貴州師范大學，2017.

[18] 池哲明.改性PETG 3D打印線材的制備及其FDM工藝優化[D].福州：福建師范大學，2018.

[19] 周平，孟磊，耿志超，等.3D打印技術在機械設計實踐教學中精度問題探討[J].實驗室科學，2021，24（3）：14-17.