摘? 要：打印精度是熔融沉積快速成型3D打印普遍關(guān)注的問題，以聚乳酸材質(zhì)的長方形制件為例，研究了底部/頂部厚度、填充密度和擺放位置對打印制件尺寸精度的影響。研究結(jié)果表明打印后制件產(chǎn)生收縮，其收縮具有一定的方向性，沿打印機(jī)X方向收縮量最小。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合出的長度尺寸、寬度尺寸和高度尺寸的算式，對快速獲得正確的零件尺寸具有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：FDM;工藝參數(shù);打印精度

中圖分類號：TH164? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2020）22-0133-03

Research on the Influencing Factors of FDM 3D Dot Per Inch

ZHOU Changxiu

（Shandong Labor Vocational and Technical College，Jinan? 250022，China）

Abstract：DPI is a common concern in 3D printing of FDM. Taking the rectangular part made of PLA as an example，the effects of bottom or top thickness，filling density and placement position on the dimensional accuracy of the printed part were studied. The research results show that the parts shrink after printing，and the shrinkage has a certain directionality，and the shrinkage is the smallest along the X direction of the printer. According to the experimental data，the formulas of length dimension，width dimension and height dimension are fitted，which has a certain guiding significance to quickly obtain the correct part dimension.

Keywords：FDM;technological parameter;DPI

0? 引? 言

熔融沉積快速成型（Fused Deposition Modelling，F(xiàn)DM）是將具有熱熔性的絲狀材料加熱至熔化狀態(tài)，通過噴嘴依模型輪廓噴擠在工作臺上，逐層累積，直至完成整個(gè)工件的打印的一種技術(shù)。熔融沉積快速成型具有使用材料便宜、設(shè)備維護(hù)及運(yùn)營成本低、占用空間小、保護(hù)環(huán)境和工件成型快等優(yōu)點(diǎn)，目前得到了十分廣泛的應(yīng)用，是3D打印技術(shù)中最具發(fā)展前景的成型技術(shù)之一[1]。但是在成型過程中也容易出現(xiàn)打印件表面粗糙、表面翹曲等質(zhì)量問題[2]，這些問題均直接影響了打印精度。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)打印精度直接受打印參數(shù)的影響，為此業(yè)界在打印工藝參數(shù)、切片參數(shù)、掃描速度等方面做了系統(tǒng)研究[3-8]。Galantucci等[9]分析了層高、打印速度等工藝參數(shù)對制品表面粗糙度的影響;陳金英[10]的研究結(jié)果表明模型轉(zhuǎn)化為STL格式時(shí)，底層參數(shù)、模型壁厚、水密性對制件打印質(zhì)量有較明顯的影響;韓江[11]、楊繼全[12]等使用正交試驗(yàn)法，選擇出最優(yōu)的參數(shù)配比，實(shí)現(xiàn)了打印參數(shù)的優(yōu)化。本文以試驗(yàn)的方式，對熔融沉積快速成型的精度影響因素進(jìn)行了研究。

本文使用FDM桌面3D打印機(jī)制備同樣材料，同等尺寸，不同實(shí)驗(yàn)參數(shù)的樣件，根據(jù)樣件在長、寬、高方向尺寸及收縮量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分析3D打印機(jī)參數(shù)對制件精度的影響。為3D打印課程的教學(xué)積累了數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)，這對于教學(xué)中快速獲得打印后正確的零件尺寸具有一定的指導(dǎo)意義。

1? 試驗(yàn)方法

1.1? 試驗(yàn)設(shè)備

本試驗(yàn)使用陜西恒通智能機(jī)器有限公司生產(chǎn)的FDM型桌面3D打印機(jī)。該設(shè)備主要由工作臺、0.4 mm噴嘴、控制面板和控制系統(tǒng)等組成。當(dāng)面對操作面板時(shí)其左右方向定義為X軸，前后方向?yàn)閅軸，上下方向?yàn)閆軸。打印文件可通過U盤或內(nèi)存卡拷貝打印，操作簡單，打印精度高。

1.2? 試驗(yàn)材料

本實(shí)驗(yàn)采用直徑1.75 mm的聚乳酸（PLA）絲材作為材料。

1.3? 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

建立尺寸為30 mm×20 mm×10 mm的長方形，得到STL格式模型，如圖1所示。

2? 工藝參數(shù)設(shè)置

2.1? 底部/頂部厚度設(shè)置

在其他參數(shù)相同條件下，對模型進(jìn)行底部/頂部參數(shù)設(shè)置，本試驗(yàn)第一組至第七組的不同底部/頂部厚度分別設(shè)為0.2 mm、0.3 mm、0.4 mm、0.5 mm、0.6 mm、0.7 mm、

0.8 mm。

2.2? 填充密度設(shè)置

在其他參數(shù)相同條件下，對模型進(jìn)行填充密度設(shè)置，本試驗(yàn)第一組至第六組的不同填充密度分別設(shè)為0、20%、40%、60%、80%、100%，參數(shù)設(shè)置界面如圖2所示。

2.3? 擺放位置設(shè)置

在其他參數(shù)相同條件下，對模型進(jìn)行擺放位置設(shè)置，本試驗(yàn)第一組至第三組的不同擺放位置分別設(shè)為30 mm×20 mm

為底面（橫）、30 mm×10 mm為底面（立）、20 mm×10 mm

為底面（豎），如圖3所示。

3? 結(jié)果與分析

將打印文件使用U盤傳輸?shù)酱蛴C(jī)中完成打印。打印完成后使用千分尺測量制件在長度、寬度和高度方向的尺寸，為了保證測量的準(zhǔn)確性和全面性，使用千分尺多次測量制件在長度方向、寬度方向和高度方向的尺寸取平均值。為了避免測量時(shí)基準(zhǔn)不統(tǒng)一造成的誤差，尺寸測量中先以打印時(shí)Z軸方向遠(yuǎn)離工作臺的平面為基準(zhǔn)，再以相鄰的兩邊為另外的兩測量基準(zhǔn)。研究不同工藝參數(shù)對打印件的外形尺寸的影響。如表1所示，收縮量的負(fù)值表示制件尺寸的增加量，表明制件未產(chǎn)生收縮。

表1? 不同底部/頂部厚度制件尺寸

如表所示，制件在長度方向誤差最小，寬度方向誤差最大，說明不同打印方向，制件的收縮不同，制件的收縮存在方向性。高度方向上第一組到第三組尺寸值相差較大，這是由于頂部填充層數(shù)較少產(chǎn)生凹凸不平的表面所致;第四組到第七組高度方向尺寸值趨于穩(wěn)定，表明底部/頂部厚度大于等于0.4 mm不再產(chǎn)生凹凸不平的表面。

對底部/頂部厚度為0.2 mm、0.3 mm、0.4 mm、0.5 mm、

0.6 mm、0.7 mm、0.8 mm的制件寬度、高度和長度進(jìn)行線性擬合，得到制件長度fL（t）、制件寬度fW（t）和制件高度fH（t）擬合算式為：

式中，t為底部/頂部厚度。當(dāng)?shù)撞?頂部厚度為0.4 mm

時(shí)，式（1）得到的制件長度值為30.00 mm，實(shí)際測量得到的長度值為29.98 mm，實(shí)測長度值為計(jì)算長度值的99.9%，式（2）得到的寬度值為19.64 mm，實(shí)際測量得到的長度值為19.62 mm，實(shí)測長度值為計(jì)算長度值的99.9%，式（3）得到的高度值為9.87 mm，實(shí)際測量得到高度值為9.86 mm，實(shí)測長度值為計(jì)算長度值的99.9%。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

制件在長度、寬度和高度方向的收縮量不同，長度方向收縮量最小，誤差最小。同時(shí)，填充密度對制件收縮的方向性的具有一定的影響。

對填充密度為0、20%、40%、60%、80%、100%的制件寬度、高度和長度進(jìn)行線性擬合，得到制件長度fL（a）、制件寬度fW（a）和制件高度fH（a）擬合算式為：

式中，a為填充密度。當(dāng)填充密度為40%時(shí)，式（4）得到的制件長度值為29.98 mm，實(shí)際測量得到的長度值為29.98 mm，實(shí)測長度值為計(jì)算長度值的100%，式（5）得到的寬度值為19.67 mm，實(shí)際測量得到的長度值為19.65 mm，實(shí)測長度值為計(jì)算長度值的99.9%，式（6）得到的高度值為9.81 mm，實(shí)際測量得到高度值為9.81 mm，實(shí)測長度值為計(jì)算長度值的100%。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。

第一組和第二組制件在長度方向的收縮量最小，第三組制件在寬度方向收縮量最小，打印精度最高，打印時(shí)這三組收縮量最小方向的均位于打印機(jī)X軸方向，說明不同的擺放位置對制件收縮的方向性影響較小。第一組的高度方向、第二組的寬度方向和第三組的長度方向收縮量相對增大，居于中間位置，這三個(gè)方向均是打印機(jī)Z軸方向，說明打印時(shí)沿制件逐層累加的方向（Z軸方向）精度相對較好。

4? 結(jié)? 論

本文使用陜西恒通智能機(jī)器有限公司生產(chǎn)的FDM型桌面3D打印機(jī)，打印了不同參數(shù)下的PLA絲材制件，研究了底部/頂部厚度、填充密度、擺放位置對打印精度的影響，結(jié)論為：

（1）各參數(shù)因素對打印制件均有一定影響，影響相對較小，制件各方向均有一定程度的收縮，同時(shí)其收縮具有一定的方向性;

（2）由于打印機(jī)精度和打印算法的影響，在相同的打印參數(shù)下，沿打印機(jī)X方向收縮量最小、精度最高;

（3）打印時(shí)的擺放位置對制件的打印精度有一定影響，沿制件逐層累加的方向打印精度相對較好。

參考文獻(xiàn)：

[1] 肖蘇華，巫小珍.聚乳酸材料在桌面型3D打印中的應(yīng)用研究 [J].機(jī)電工程，2015，32（10）：1344-1347.

[2] 關(guān)雷，史子木，華學(xué)兵.熔絲沉積3D打印工藝問題分析及解決辦法 [J].浙江工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2017，17（4）：53-57.

[3] 張曉華，張李超，李智，等.基于熔融沉積法的快速成形柔性絲材技術(shù)研究 [J].精密成形工程，2015，7（5）：81-85.

[4] 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(yè)，2016，44（2）：67-70.

[5] 張永，周天瑞，徐春暉.熔融沉積快速成型工藝成型精度的影響因素及對策 [J].南昌大學(xué)學(xué)報(bào)（工科版），2007，29（3）：252-255.

[6] 王微，闞玉錦，王宏琴，等.FDM 3D打印參數(shù)對打印件精度的影響研究 [J].佳木斯大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2019，37（1）：123-125.

[7] 遲百宏，解利楊，高曉東，等.FDM工藝中構(gòu)建取向?qū)λ芰现破妨W(xué)性能的影響 [J].塑料，2015，44（4）：40-42.

[8] 賴周藝.FDM 3D打印單層面體成形過程與工藝參數(shù)分析 [J].機(jī)械工程師，2017（7）：100-102.

[9] GALANTUCCI L M，BODI I，KACANI J，et al. Analysis of Dimensional Performancefor a 3D Open-source Printer Based on Fused Deposition Modeling Technique [J].Procedia CIRP，2015，28：82-87.

[10] 陳金英.基于3D打印產(chǎn)品質(zhì)量分析的實(shí)驗(yàn)研究 [J].制造技術(shù)與機(jī)床，2019（1）：104-107.

[11] 韓江，王益康，田曉青，等.熔融沉積（FDM）3D打印工藝參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究 [J].制造技術(shù)與機(jī)床，2016，16（6）：139-142+146.

[12] 楊繼全，徐路釗，李成，等.基于FDM工藝的零件成型質(zhì)量工藝參數(shù)研究 [J].南京師范大學(xué)學(xué)報(bào)（工程技術(shù)版），2013，13（2）：1-6.

作者簡介：周長秀（1984—），女，漢族，山東鄒城人，助教，碩士，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)與制造。