基于FDM的3D打印多孔結構懸垂面精度優化研究

摘" 要：熔融沉積成型（Fused Deposition Modeling，FDM）是3D打印技術快速發展和應用的典型之一。非水平懸垂結構是復雜零件中較為典型的結構，其成形缺陷（如翹曲變形、懸垂物、掛渣等）較多，故研究懸垂結構的工藝缺陷，改變和優化工藝策略，提高懸垂結構打印的精度和質量，對FDM技術的大規模推廣和應用具有積極的作用。為了解決打印懸垂結構精度困難的問題，匯總了目前常用的幾種解決方法，以提高FDM打印件多孔結構的懸垂面精度。

關鍵詞：3D打[A1] 印 懸垂結構 FDM 精度優化 打印方案

Research on Accuracy Optimization of Overhang Surface of 3D Printing Porous Structure Suspension Surface Based on FDM

JIi Fuhua

（Hongyuan Green Energy Co.， Ltd.， Wuxi， Jiangsu Province， 214128 China）

Abstract： Fused Deposition Modeling （FDM） is one of the typical examples of the rapid development and application of 3D printing technology. Non horizontal suspended structures are typical structures in complex parts， with many forming defects （such as warping deformation， suspended objects， slag， etc.）. Therefore， the study research of the process defects of the suspendedoverhanging structure， the change and optimization of the process strategy， and the improvement of the printing accuracy and quality of the suspendedoverhang structure have a positive effect on the large-scale promotion and application of FDM technology. In order to solve the problem of difficult accuracy of printing suspendedoverhang structures， this paper summarizes several commonly used solutions to improve the suspended surface accuracy of porous structures in FDM printed parts.

Key Wwords： 3D printing; Suspendedoverhang structure; FDM; ；Accuracyprecision optimization; Print the scheme

3D打印技術是一種依托數字模型文件來實現快速成型的先進制造技術。該技術通過逐層沉積可塑性材料或金屬粉末等特定介質，從而精準地構建三維實體模型。與傳統的減材制造工藝相比，3D打印技術具有設計靈活性更高、生產速度更快，以及能夠制造復雜形狀產品等顯著優勢。熔融沉積成型（Fused Deposition Modeling，FDM）桌面級3D打印機以其速度快、靈活性高等優點得到了廣泛關注。但是，其有一個很大的缺陷，那就是打印范圍太小，在打印一些體積比較大的物體時，通常要將物體3D模型進行分割，這樣影響了物體的質量。因此，對打印范圍大的3D打印機（即工程級3D打印機）的研制具有很大的意義[1]。

1" 3D打印的發展現狀

據權威機構預測，2025年，全球增材制造市場規模將實現突破性增長，其中，航空航天、醫療健康、高端消費品和智能汽車四大領域將成為主要增長極。具體數據顯示，2015—2025年間，全球汽車行業3D打印收入將以34%的復合年均增長率持續攀升，垂直醫療設備領域也將保持23%的穩健增速。如果延續2020—2029年該增長趨勢，那么，預計未來10年全球汽車行業3D打印市場價值將達991.75億美元，年均貢獻99.18億美元產值；同期垂直醫療設備領域市場規模有望突破480.22億美元，年均產值達48.02億美元，雙賽道均展現出指數級增長潛力[2]。

雖然中國增材制造產業起步相對較晚，但經過多年的創新發展，我國增材制造技術體系已實現與國際先進水平并跑.在政策引導與產業需求雙重驅動下，中國3D打印技術應用場景加速拓展，產業滲透率顯著提升。預測至2025年，中國3D打印市場容量將突破630億元大關，2021—2025年，復合增長率預計超20%，展現出強勁的發展動能[3]。

以航空航天領域為例，據專業機構預測，2020—2029年，中國航空制造業產值將以10%的年均增速擴張，十年間市場總規模預計達9.05萬億元。若增材制造技術在該領域的滲透率提升至1%，則僅航空航天單項應用即可創造約905.43億元的市場價值，年均貢獻超90億元增量空間，充分印證技術產業化應用的巨大潛力[4]。

2" 基于FDM的多孔結構懸垂面精度優化研究

基于FDM的3D打印具有“懸垂結構”的零件困難這一現象，這是困擾所有FDM打印工程師的一個大問題：如何打印一個在沒有任何直接支撐情況下的斜坡零件（懸垂結構）[5]？當打印斜坡的底部時，隨后的每一層都必須稍微超出前一層，這就引發了一些問題：一些塑料延伸到的空氣中，重力將開始將其拉下。45°規則是理解懸垂打印的最快捷的方法，該規則認為小于或等于45°的斜率可以打印，比45°大的斜率要加支撐。支撐并不是一個很理想的解決方法，因為其會損壞打印件、增加打印時間并消耗多余的材料消耗，甚至限制可打印的幾何形狀。45°規則是一個指導方針。在實際應用中，對于大多數現代打印機來說，它是一種較為“保守”的解決方案。隨著冷卻技術和切片軟件的改進，FDM工程師準確、干凈地產生陡峭懸垂的能力也在提高。當打印一個太陡的懸垂時，會發生下垂：這是塑料在凝固前被重力“拉下”，人們最終會得到下垂的結構；卷曲：這是塑料冷卻不足并開始向上彎曲的地方。在打印模型時，打印的某些區域已經卷曲到噴嘴高度以上，打印完成后，會出現粗糙、不平整的表面[6]。為了解決打印懸垂結構精度困難的問題，以下列出幾點解決方法。

2.1采用干燥線材

大多數 FDM 長絲是吸濕的，這些材料喜歡吸收水分，水分會對長絲造成嚴重破壞。細絲作為塑料聚合物，由串在一起的分子鏈制成。水分子會破壞這些鏈，破壞的塑料在打印時便會引起一系列問題。特別是對于懸垂結構，這種被破壞的結構會加劇下垂的程度，降低表面粗糙度。因而，采用干燥線材可以彌補打印缺陷造成的懸垂面精度問題。

2.2降低噴嘴溫度

并非所有材料都在相同的溫度下工作，下垂和卷曲都是由冷卻不足引起的，因此，可以嘗試降低噴嘴溫度。通過降低溫度，塑料會更快地固化，從而減少下垂和卷曲 。所以，打印的原則可以概括為：在確保足夠強度的同時，保持盡可能低的溫度，這會降低零件表面的粗糙度并提高懸垂質量。

2.3降低打印速度

像降低噴嘴溫度一樣，降低打印速度可以提供更多時間來冷卻材料 。同時，較慢的流速可以減輕擠出機的壓力，從而進一步降低噴嘴溫度。如果只有小懸垂受到影響，則可以考慮增加最小層時間。如果這不起作用，則可以嘗試一次打印多個模型，讓每一層有更多時間冷卻。通常，較慢的打印速度會提高打印質量。但打印速度不能太慢，尤其是在小層上，可能會導致熱噴嘴停留時間過長，從而使局部溫度上升 。然而，在某些情況下，提高打印速度是可行的，這可以使材料被拉伸，增加張力，幫助打印件保持其形狀。

2.4加強冷卻

如果使用 100%的風扇速度起不到對物體進行固化的作用，則可以考慮更換風扇和風扇管道。要么選擇使用泵，要么使用能送更多空氣的高功率風扇。需要注意的是，如果風扇可以在大范圍內提供強大的冷卻效果，則可以考慮提高打印速度。與之前的策略相反，這有助于通過將熱端移開來避免過熱，讓風扇負責冷卻塑料。

2.5調整圖層高度

懸垂是具有挑戰性的，因為其會懸掛在空中。這可以通過降低層高來減少這種“懸掛”。當打印斜坡時，實際上是在打印階梯層。在更精細的層高處，可以使每一層伸出的長度更少、懸浮較少，下垂的可能性和程度就會更小。從另一方面考慮，較厚的層會更加堅硬，這就好比一張薄紙與一張厚卡片紙，在3D打印中，較厚的層可以更好地抵抗下垂，即使它們突出的更多。較厚層的另一個好處是它們有時可以對抗卷曲，雖然它們確實增加了所需的冷卻量，但較厚的層可以幫助“按下”打印件以防止其抬起。最終，建議根據懸垂的具體形狀與打印的最終目標調整層高，以選定最合適的層高。

2.6調整設置

（1）調整擠壓寬度。較厚的擠壓寬度更難冷卻，但會增加與下層的重疊。調整此設置，以找到一個最優值。（2）優化墻壁打印順序。大多數切片器都允許指定外殼的打印方式。理想情況下，先打印內墻，然后再打印外墻，這將幫助懸垂的路徑更合理。（3）增加外殼路徑。通過增加外殼中的路徑數量，可以增加每一層之間的重疊，外部路徑也將有更多內部路徑可以“保持”。

2.7避免懸垂

（1）考慮懸垂設計。用倒角替換圓角或在懸垂下方放置合適結構，以支撐懸垂。對于水平孔，可以使用“淚珠形狀”，以避免頂部下垂。（2）切換方向。并非所有打印方向都是相同的。根據零件的具體形狀，改變零件的定位方向，壁面懸垂。（3）拆分模型。有時復雜模型的懸垂是不可避免的，這時可以考慮將其拆分為多個零件，打印后，只需將這些部分粘在一起即可。（4）使用支撐。如果真的需要支撐，則可以使用可溶解的支撐材料，這些結構可以輕而易舉地被處理掉，不會影響零件的表面粗糙度。

2.8采用圓形流道熔池

熔池的下垂現象是否明顯主要與流道自身形狀有關，相比方形流道，原型流道的懸掛面與側表面直接的結構無突變且具有緩沖結構，并且下層能夠為上層起到一定的支撐作用，懸掛面長度相較方形流道要短很多，因此懸掛面特征不明顯。

2.9優化掃描策略

通過實驗比較了單向掃描、蛇形掃描、回形掃描等不同掃描策略對懸垂面成形質量的影響，找出最適合懸垂面打印的掃描策略。針對懸垂面的特點，對掃描路徑、掃描間距、掃描方向等進行了優化調整，以減少懸垂面在打印過程中的變形和缺陷。

2.10改變加工參數

相較于粉末粘結機理相對明確的側表面，懸掛面上的粉末粘結要復雜得多。提高或降低激光功率可以改變熔池的形成和冷卻過程，進而影響懸垂面的成形質量。此外，降低鋪粉層厚，可以減少懸垂面的下垂距離，具有良好的熔化效果。

2.11添加支撐結構

盡管內置流道懸垂面不適合添加支撐，但在其他類型的懸垂面加工中，添加支撐結構可以顯著提高懸垂面的質量。以往研究表明，添加支撐的懸垂面形成了更好的微觀組織，提高了耐變形能力和機械力學性能；同時，支撐的存在還可以防止微觀裂紋的產生。

隨著計算機技術的發展，算法和軟件優化在提升懸垂面精度方面發揮著關鍵作用。多目標優化算法通過尋找最優工藝參數組合，顯著提高懸垂面的精度和平面度；響應面法通過建立數學模型，優化工藝參數，提升加工質量；有限元分析和仿真技術通過模擬熔池行為和溫度場變化，優化掃描策略和工藝參數，減少懸垂面的下垂和變形；機器學習和人工智能通過訓練模型，自動識別和優化工藝參數，實現智能化控制；自適應控制算法通過實時監測和動態調整，確保高精度加工；路徑規劃算法通過優化掃描路徑，減少能量波動，提高加工質量；多物理場耦合仿真通過綜合考慮多個物理因素，提高模型的預測精度；基于云的優化平臺通過提供強大的計算資源，快速處理大量數據，優化工藝參數；實時監控與反饋系統通過實時監測和調整，確保加工過程的穩定性和高質量。未來的研究方向應聚焦于開發更高效的多目標優化算法、擴展響應面法的應用范圍、提高有限元分析的精細化程度、開發實時仿真技術、結合機器學習和人工智能技術、提高自適應控制算法的魯棒性、開發智能化的路徑規劃算法、集成多物理場耦合仿真技術、推廣基于云的優化平臺、開發智能化的實時監控與反饋系統，以進一步提升懸垂面的加工精度和質量。

3" 結語

在本次基于 FDM 的 3D 打印多孔結構懸垂面精度優化研究中，本文提出了一系列優化策略，針對材料，本文探索出的改性方案或新型材料配方顯著提升了材料在懸垂打印時的適應性。在打印參數方面，自適應的動態調整算法確保了噴頭與絲材始終處于最佳工作狀態，依懸垂情況實時 “智能” 調配；在模型設計領域，創新性的支撐結構與拓撲優化手段大幅度減輕了懸垂面應力集中，降低打印難度。經優化后，懸垂面的表面粗糙度大幅度降低，尺寸偏差顯著縮小，成型精度達到了一個新高度，切實滿足了諸多領域對高精度多孔結構的需求。目前，基于 FDM 的 3D 打印多孔結構懸垂面精度優化已取得一定成效。但隨著相關技術的不斷發展與融合，未來仍有廣闊的研究空間和巨大的發展潛力，有望為各行業帶來更多突破性的應用成果。

參考文獻

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