3D打印技術(shù)研究現(xiàn)狀和關(guān)鍵技術(shù)研究

魯言霞

（山東省濱州經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)中海中學(xué)（實驗學(xué)校西校區(qū)），山東 濱州 256600）

0 引言

基于加工方法和材料的不同，3D打印技術(shù)可細(xì)分為熔融沉積制造技術(shù)、三維粉末黏接成型技術(shù)、分層實體制造技術(shù)、光固化成型技術(shù)等。該文主要圍繞熔融沉積制造技術(shù)進(jìn)行研究，該3D打印技術(shù)具備可用材料廣泛、生產(chǎn)設(shè)備便宜、操作過程簡單等優(yōu)勢。路徑規(guī)劃是熔融沉積制造技術(shù)中的關(guān)鍵步驟，該文主要圍繞徑規(guī)劃來研究 3D 打印技術(shù)。

1 3D打印技術(shù)研究現(xiàn)狀

為直觀地展示3D打印技術(shù)研究現(xiàn)狀，該文圍繞熔融沉積制造技術(shù)、路徑規(guī)劃技術(shù)進(jìn)行探討。

1.1 熔融沉積制造技術(shù)

該文主要圍繞熔融沉積制造技術(shù)進(jìn)行研究，作為代表性的3D打印技術(shù)，該技術(shù)可通過打印噴頭將絲狀材料變?yōu)槿廴跔顟B(tài)擠出，在規(guī)劃好的路徑下，實體零件可通過完全固化的材料完成單層制造，該技術(shù)原理如圖1所示。

在熔融沉積制造技術(shù)的具體應(yīng)用中，圖1中的打印噴頭會首先下降，直至與打印平臺間相距一個層厚，絲狀材料由加熱器負(fù)責(zé)加熱，打印平臺由專用加熱裝置進(jìn)行加熱，完成加熱后計算機控制打印噴頭沿著打印實體截面輪廓移動，絲狀材料熔融后在專業(yè)移動過程中擠出，打印噴頭在這一過程中由送絲裝置持續(xù)送絲，打印完成一層截面輪廓后，固化的熔融材料粘接前一層，打印噴頭的上移高度為一個層厚，以此反復(fù)進(jìn)行打印，直至完成加工。熔融沉積制造技術(shù)多以塑料為打印材料，具備較為簡單的加工原理，材料使用率高，材料成本性低，使用熔融沉積制造技術(shù)的3D打印機也具備操作簡單等優(yōu)勢，這使熔融沉積制造技術(shù)近年來快速發(fā)展且得到廣泛應(yīng)用。但受到噴頭吐絲直徑固定的影響，熔融沉積制造技術(shù)應(yīng)用中層厚會受到限制，這使其存在相對有限的成型精度。此外，與其他3D打印技術(shù)相比，熔融沉積制造技術(shù)的用時較長，這是由于其需要在加工過程中等待材料完全固化，有限的噴頭移動速度也限制其加工效率。

圖 1 熔融沉積制造技術(shù)原理示意圖

1.2 路徑規(guī)劃技術(shù)

在3D打印實踐中，路徑規(guī)劃需要在分層處理完成后進(jìn)行，路徑規(guī)劃方法直接影響3D打印效果。對該文研究的熔融沉積制造技術(shù)來說，常用的路徑規(guī)劃技術(shù)包括直線掃描技術(shù)、分區(qū)掃描技術(shù)、輪廓偏置掃描技術(shù)、分形掃描技術(shù)等。直線掃描技術(shù)在應(yīng)用中需要對截面輪廓逐行掃描填充，基于設(shè)定的加工速度控制表面輪廓掃描速度，輪廓空腔處的掃描速度會有所加快。直線掃描技術(shù)具備加工速度快、程序簡單等特點，但如果加工模型存在輪廓空腔，打印噴頭需要在不同噴絲速度和行程速度間轉(zhuǎn)換，這對傳動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性存在較高要求，大量的跳行換轉(zhuǎn)也使加工過程很容易出現(xiàn)拉絲、誤差問題，最終影響表面成型精度，加工模型打印時因受力不均勻而出現(xiàn)翹邊變形的情況同樣較為常見；圍繞分區(qū)掃描技術(shù)進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，該技術(shù)需要按照分組規(guī)則對分層截面輪廓圖進(jìn)行細(xì)分，進(jìn)而獲取多個相連的小型區(qū)域，這類區(qū)域掃描按照規(guī)定的掃描方式完成。分區(qū)掃描技術(shù)在應(yīng)用中的噴頭跳轉(zhuǎn)僅出現(xiàn)在不同小區(qū)域間，可有效預(yù)防翹邊變形、噴頭拉絲等問題，但該技術(shù)不適用于打印腔體薄厚不均勻、結(jié)構(gòu)不規(guī)則的模型，這類打印模型的分區(qū)難度過高且存在過于復(fù)雜的控制程序，分區(qū)不佳對打印質(zhì)量造成的影響也較為深遠(yuǎn)；輪廓偏置掃描技術(shù)需要沿外輪廓表面從外向內(nèi)逐圈掃描，在完成截面輪廓圖最外面掃描后，噴頭會向內(nèi)逐步移動，直至完成全部掃描。輪廓偏置掃描技術(shù)存在相對分散的內(nèi)應(yīng)力收縮方向，因此該技術(shù)的應(yīng)用能夠較好規(guī)避噴頭空行程、翹邊變形等問題，適用于薄厚均勻、結(jié)構(gòu)規(guī)則的打印模型，在這類模型打印中精度較高。但如果打印模型存在腔體薄厚不均勻、結(jié)構(gòu)不規(guī)則、偏置路徑重合相交等問題，很容易出現(xiàn)復(fù)雜化掃描路徑算法，嚴(yán)重時還會導(dǎo)致打印失敗。

分形掃描技術(shù)在掃描路徑的生成中應(yīng)用分形曲線，如Hilbert曲線，在分形幾何原理的支持下，分形曲線可持續(xù)繁衍，最終完成完整輪廓的全覆蓋規(guī)劃，而受到整體與部分接近一致的分形曲線影響，完整的一層輪廓規(guī)劃完成后，即可同時得到一致的層片各個位置規(guī)劃結(jié)果，進(jìn)而得到基本一致的加工層片厚度，這種規(guī)劃可在完整零件模型上拓展，進(jìn)而保證3D打印成型質(zhì)量，該技術(shù)的原理如圖2所示。

圖 2 分形掃描技術(shù)原理示意圖

結(jié)合圖2進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，在應(yīng)用Hilbert曲線的過程中，打印噴頭的工作方向需要持續(xù)改變，這會在一定程度上影響打印機穩(wěn)定性，打印精度也會同時受到影響。為更好應(yīng)用分形掃描技術(shù)進(jìn)行路徑規(guī)劃，必須對該技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步改進(jìn)，這正是該文研究的關(guān)鍵所在。

1.3 影響3D打印效率與質(zhì)量的因素

在通過三維軟件制作STL格式的零件模型后，基于熔融沉積制造技術(shù)的3D打印效率和質(zhì)量會受到多方面因素影響，主要體現(xiàn)在兩個方面：第一，打印實體模型所需時間和成型質(zhì)量會受到模型放置方向的直接影響，這種影響主要體現(xiàn)在打印支撐使用、表面質(zhì)量、表面階梯個數(shù)等方面，這種影響可在G代碼生成過程中進(jìn)行改善，很多切片軟件也提供相應(yīng)功能對模型位置進(jìn)行調(diào)整；第二，模型路徑規(guī)劃。在應(yīng)用不同路徑規(guī)劃的過程中，基于熔融沉積制造技術(shù)的3D打印效率和質(zhì)量同樣會受到影響，這與各類路徑規(guī)劃技術(shù)存在的缺點和特性存在直接關(guān)聯(lián)。實體模型打印的成型效率和精度要求較高，路徑規(guī)劃的有效開展難度較高，為解決相關(guān)問題，該文將提出一種新的3D打印路徑規(guī)劃技術(shù)。

2 新型路徑規(guī)劃技術(shù)

該文研究的新型路徑規(guī)劃技術(shù)以上文提及的分形掃描技術(shù)為基礎(chǔ)，該節(jié)將圍繞新技術(shù)的原理、優(yōu)化后的原始回路生成、優(yōu)化后的掃描軌跡生成三方面進(jìn)行深入探討。

2.1 技術(shù)原理

為滿足熔融沉積制造技術(shù)應(yīng)用中的模型路徑規(guī)劃需要，該文以分形掃描技術(shù)為基礎(chǔ)，引入賦權(quán)Hamilton回路對其進(jìn)行優(yōu)化。分析Hilbert曲線可以發(fā)現(xiàn)，基于該曲線的分形掃描成型需要設(shè)法改進(jìn)Hilbert曲線，只有減少其等分次數(shù)，才能夠減少軌跡拐點，進(jìn)而保證掃描過程中的穩(wěn)定移動，3D打印機的使用壽命也能夠同時延長。但考慮到等分次數(shù)的減少可能導(dǎo)致整個截面輪廓無法在分形掃描技術(shù)應(yīng)用中完全填充，為解決相關(guān)問題，對Hilbert曲線等分后得到的基礎(chǔ)單元，該文研究基于固定規(guī)則對其進(jìn)行合并處理，分形掃描技術(shù)存在的拐點多等問題可由此解決，打印機的使用壽命和3D打印成型質(zhì)量均可得到更好保證。為基于賦權(quán)Hamilton回路優(yōu)化分形掃描技術(shù)，需要明確Hilbert曲線基元單位合并方向，優(yōu)化路徑連接在之后圍繞合并得到的大分區(qū)開展，3D打印過程的噴頭移動距離縮短及速度轉(zhuǎn)換減少可由此實現(xiàn)，進(jìn)而取得預(yù)期優(yōu)化效果。Hilbert曲線在應(yīng)用中能夠劃分整層截面輪廓，同時保證其填充完整，而在Hamilton回路引入后，其同樣以實現(xiàn)路徑最優(yōu)為目標(biāo)，因此熔融沉積制造技術(shù)應(yīng)用中的模型路徑規(guī)劃優(yōu)化需要結(jié)合Hamilton回路和Hilbert曲線特點，保證掃描路徑最優(yōu)且打印要能夠更好滿足。

2.2 優(yōu)化后的原始回路生成

基于無法改變的打印噴頭規(guī)格，因此可得到固定的噴頭行走軌跡規(guī)格，基于Hilbert曲線，相應(yīng)點坐標(biāo)可通過細(xì)化坐標(biāo)方式獲取，掃描路徑坐標(biāo)和截面輪廓線各點坐標(biāo)的具體值可由此順利獲取，加工過程中打印機噴頭走向自然能夠同時明確。如存在0.2mm直徑的打印機噴頭，同時存在規(guī)則正方向的截面輪廓圖形，具體邊長為1.8mm，即可得到圖3所示的細(xì)化坐標(biāo)后小正方形，具體規(guī)格為0.2mm×0.2mm，對應(yīng)點坐標(biāo)可基于該圖確定。

圖 3 細(xì)化坐標(biāo)結(jié)果

基于Hilbert曲線原理，原始回路的尋找需要首先明確基元回路，即獲得的所有單一回路，對雜亂無章的基元回路，為應(yīng)對其方向差異，相關(guān)基元回路需通過Hamilton回路連接為最優(yōu)路徑，圖4為基元回路示意圖。

2.3 優(yōu)化后的掃描軌跡生成

基于優(yōu)化后的分形掃描技術(shù)，掃描軌跡生成過程中的原始回路合并需要從基元回路的生成入手，之后的賦權(quán)計算由Hamilton回路完成，為在這一過程中獲取Hamilton回路權(quán)函數(shù)值最優(yōu)解，具體由確定，可使用公式（1）進(jìn)行計算。

式中：為回路權(quán)函數(shù)值最優(yōu)解；N為分層薄厚的影響加權(quán)因子；V為送料速度與噴頭吐絲速度的影響加權(quán)因子；C為噴頭熔絲溫度的影響加權(quán)因子；T為打印機啟停延時的影響加權(quán)因子。

為進(jìn)一步確定拐點或初始處基元回路合并方向，須設(shè)法確定值最小的方向，具體需要通過式（2）確定，式中的[（，），（，）]代表值最小的方向。

式中：、均為需要合并的基元回路，為起始點基元回路，圖5為合并基元回路的過程。結(jié)合該圖進(jìn)行分析可以確定（a）為合并前的基元回路，如結(jié)合式（2）計算確定基元回路1、2間存在最小的值，即可將二者合并，為同時規(guī)避島嶼型合并回路出現(xiàn)，仍需使用式（2）進(jìn)行計算，如計算確定基元回路1、3間存在最小的值，即可進(jìn)一步合并，以此類推，最終可完成整個截面輪廓區(qū)域的基元回路合并，最終得到優(yōu)化后的分形掃描規(guī)劃路徑。

圖 4 基元回路示意圖

為生成掃描軌跡，須把握以下流程：第一，明確合并起點，該起點即為圖5中的基元回路1，之后需要按照圖5依次標(biāo)記基元回路；第二，基于式（1）對值進(jìn)行比對，值的最小方向通過式（2）確定，以此合并相鄰基元回路；第三，重復(fù)進(jìn)行合并，兩次合并方向判別后需基于確定的方向合并，直至截面輪廓邊緣；第四，每次合并后需要將被合并基元回路的標(biāo)注替換為基元回路標(biāo)注，最終基于標(biāo)注即可確定最優(yōu)掃描路徑是否獲取，如基元回路仍存在其他標(biāo)注，須進(jìn)一步進(jìn)行合并處理。

圖 5 合并基元回路過程

圖 6 改進(jìn)前分形掃描技術(shù)打印成品對比圖

3 實例分析

3.1 試驗方法

為驗證新型路徑規(guī)劃技術(shù)的實用性，選擇Z-603S型號的3D打印機作為試驗設(shè)備，該打印機由打印平臺、送絲盤、打印噴頭、傳動裝置、控制裝置、打印機框架等部分組成。在試驗過程中，需要使用切片分層軟件Cure。確定參數(shù)后，還需要關(guān)注加工代碼的生成，基于確定的加工路徑，在3D打印機中輸入對應(yīng)G代碼，這種加工代碼由準(zhǔn)備、加工過程、結(jié)束過程三部分組成，其中最關(guān)鍵的是加工過程代碼，其他部分存在基本相同的代碼內(nèi)容，試驗僅需要通過新型路徑規(guī)劃技術(shù)改進(jìn)G代碼，即可完成實例驗證。為生成加工代碼，需要在切片軟件中導(dǎo)入打印模型，結(jié)合設(shè)置好的打印線材、打印支撐、噴頭工作速度、打印模型厚度等參數(shù)，即可獲得G代碼，該G代碼可基于改進(jìn)的打印掃描軌跡或特殊要求進(jìn)行修改，修改后的G代碼用于生成加工代碼，最終用于3D打印。

3.2 具體驗證

為驗證該文研究的新型路徑規(guī)劃技術(shù)實用性，需要圍繞相同的打印實體模型進(jìn)行對比，這一對比圍繞改進(jìn)前后的分形掃描技術(shù)進(jìn)行，分別通過二者生成打印路徑并進(jìn)行打印，這一過程使用熔融沉積制造技術(shù)，打印機的打印層厚為0.1mm~0.3mm，噴頭直徑為0.4mm，設(shè)置20%的打印填充密度，風(fēng)扇需要在3D打印過程開啟?；诟倪M(jìn)前后分形掃描技術(shù)生成的兩種路徑打印長方體模型，可確定改進(jìn)前分形掃描技術(shù)的打印時間為9530s且成形精度高，但同時也打印機工作穩(wěn)定性較差。改進(jìn)后的分形掃描技術(shù)的打印時間為7990s，同時成形精度較高，工作較為穩(wěn)定。之所以新型路徑規(guī)劃技術(shù)在3D打印中表現(xiàn)突出，主要是因為該技術(shù)能夠顯著減少打印各層時的噴頭轉(zhuǎn)換方向次數(shù)，這使打印機的穩(wěn)定性及最終打印成型質(zhì)量均顯著改善。圖6為改進(jìn)前分形掃描技術(shù)打印成品對比圖，結(jié)合該圖可以發(fā)現(xiàn)，改進(jìn)前的分形掃描技術(shù)打印成品存在顯著的噴頭行走痕跡，新型路徑規(guī)劃技術(shù)則基本不存在痕跡，同時新型路徑規(guī)劃技術(shù)應(yīng)用后實現(xiàn)15%的打印效率提升。總的來說，在基于熔融沉積制造技術(shù)的新型路徑規(guī)劃技術(shù)應(yīng)用中，該技術(shù)能夠減少翹邊現(xiàn)象、優(yōu)化路徑規(guī)劃、提升打印機穩(wěn)定性、減少啟停和換向次數(shù)，最終提升打印質(zhì)量，因此該新型路徑規(guī)劃技術(shù)具備較高推廣價值。

4 結(jié)論

綜上所述，3D打印技術(shù)的發(fā)展前景極為廣闊。在此基礎(chǔ)上，該文涉及的熔融沉積制造技術(shù)、新型路徑規(guī)劃技術(shù)等內(nèi)容，則直觀展示了3D打印技術(shù)的優(yōu)化應(yīng)用路徑。推進(jìn)了3D打印技術(shù)發(fā)展，打印材料冷卻收縮控制、打印起點科學(xué)選擇、軟硬件升級影響應(yīng)對等方面同樣需要得到重視。