1．目的及意义
3D打印是运用CAD技术将三维模型离散为有限个单元，然后逐层打印并堆积成型的一种加工方式，这种逐层堆积成型技术被称为增材制造[1]。这种技术相较于传统的减材去除(切削加工)技术，它的零件可以直接从计算机图形数据中生成，并且不需要机械加工和其他模具，极大地减少了产品的研制周期和生产成本[2]。3D打印技术起源于分层制造法（由J. E. Blanther在1892年提出，在早期应用于制作地形图），它的历史并不长，1986年，美国科学家Chuck Hull成立了3D Systems公司，并开发了世界上第一款商用3D打印机[3]，随后DTM,Z, Helisys等公司也相继开发了各种类型的3D打印设备，国内也有不少公司进入这一领域，加快了3D打印技术的发展与应用。就目前而言，3D打印技术主要包括这几种类型：1.熔融沉积式(FDM) 2.电子束自由成形制造（EBF）3.直接金属激光烧结（DMLS）4.电子书熔化成型（EBM）5.选择性激光熔化成型（SLM）6. 选择性热烧结（SHS）7. 选择性激光烧结（SLS）8. 石膏3D打印 (PP) 9. 分层实体制造（LOM）10. 立体平板印刷（SLA）11. 数字光处理 (DLP)。FDM技术（熔融沉积式）[4，5]出现在二十世纪八十年代，被Scout Crump于1988年发明[6]，并被其成立的Stratasys公司注册专利。FDM成型原理相对简单，打印之前FDM 3D打印机内置软件自动读取3D模型数据并将其分层。分层之后，细丝在高温的打印机喷头处熔化，挤出后遇冷迅速凝结固化，然后通过打印头在平面上的摆动以及打印板向下位移形成立体实物。随着FDM 3D打印应用的不断扩大，越来越多的产品结构缺陷暴露出来，这极大地影响了这种技术的应用与发展，也阻碍了3D打印的创新性思维[7-10]。目前FDM 3D打印产品的结构缺陷主要有以下几种：1.强度不够，这主要是由这种3D 打印技术的原理和材料特性产生的。2.翘曲变形，这主要是由制件内部的热应力引起的[11]。3.拉丝，这主要是由于出丝机构停止出丝之后，喷嘴出仍有一定的已经熔融的材料在重力作用下流出，附着在制件表面形成点或丝[12]。4.错位，这种情况往往是由于已经打好的部分受到外力作用发生移动导致的。5.坍塌，这主要是由于喷嘴温度过高，材料偏向于液态，流动性太强导致的。目前国际上的3D打印机技术及设备提供主要是3D systems和Stratasys公司，他们拥有很多3D打印相关的技术专利，也开发了一系列的3D打印设备。我国近年才引入3D打印技术，与国外相比差距非常大，目前技术还主要集中在以学校为中心的校办企业内，与市场衔接较少，相关产业也不够发达。当然3D打印技术本身存在的一系列缺点以及打印过程中暴露的诸多问题也是制约它发展的原因之一。近年来武汉理工大学张帆和山东理工大学曹师增等人都通过正交试验的方法研究了FDM 3D打印产品结构缺陷的影响因素，并提出了一些在打印过程中需要改进的方法和参数[13-16]。FDM 3D打印是目前应用最成熟最广泛的3D打印技术之一，找出其打印过程中可能发生的产品结构缺陷，对其进行原因分析，并提出一定的解决或者改善方法，对于改善FDM 3D打印的成品质量具有重要意义，能够在一定程度上推广和扩大FDM 3D打印这种制造技术，从而减少原材料的浪费和产品加工生产的周期，也有助于提高我国的3D打印技术发展水平。{title}

2. 研究的基本内容与方案

{title} 对目前在FDM 3D打印中容易出现的三种结构缺陷：翘曲，拉丝，错位进行原因分析。FDM 3D打印是将丝状材料熔化后重新凝固堆积而成，熔化的线材在重新凝固堆积的过程中体积收缩就有可能导致产品翘曲变形，严重的甚至导致打印过程无法继续下去，因此翘曲变形是影响打印产品质量和精度的主要原因之一。 相关研究表明，分层层厚，喷嘴温度，打印温度，产品壁厚，打印速度等条件均可影响到翘曲变形，其中，通过封闭加工，在一定程度上提高打印温度，使得熔融的线材在凝固的过程中热应力缓慢释放可以在一定程度上改善翘曲变形[17-19]。拉丝是由于出丝机构在停止出丝之后仍有少许已经熔化的丝材在重力的作用下流出，附着在已经打印好的表面上形成点或长条，影响成品质量和精度，现在的3D打印机通常通过在打印中断时将材料丝回抽来改善拉丝问题，我们也可以通过将三维模型导入cura软件中模拟3D打印过程，找出可能发生拉丝的地方并加以避免[20]。制件的上下两部分扭曲、错位也是导致3D打印过程失败的重要原因之一，它一般是由于制件的上下两部分发生相对移动导致的，这种相对移动可能是由于已经打印好的部分从底板上脱落，也可能是由于打印的产品在打印过程中发生晃动。产品的错位缺陷会导致产品完全失去功效，成为废品。我们可以在设计中增加某些辅助结构以减少某些细而长的制件在打印过程中发生晃动，从而避免错位缺陷研究目标改善或者在一定程度上消除翘曲，拉丝，错位三种结构缺陷，提出一种方法或者进行参数优化设计，能对其他研究人员、工程人员设计，制造时，起到参考，指导意义，使得FDM 3D打印的产品结构缺陷减少，在一定程度上提高成品质量。执行方案对于翘曲缺陷，我们可以在产品设计时避免特别薄的或者分层的结构，避免打印过程中应力集中而造成翘曲，还可以在打印过程中采用封闭式打印，对整个打印环境进行一定程度的加热，使产品的热应力能够缓慢释放出来，减少翘曲。对于拉丝缺陷，我们可以在每次中断打印后用特定的机械结构从外面堵住打印机喷嘴，使得未从打印机喷嘴流干净的材料无法流出而避免拉丝，我们还可以在每一段打印程序结束后加入一段反方向回抽丝材的程序，也可以很好的避免拉丝，我们还可以使用3D打印的模拟仿真软件，对3D打印的过程进行仿真，找出可能发生拉丝的位置，对路径进行优化。对于错位缺陷，我们可以通过牢固的固定3D打印产品的底部来避免，对于一些细长的产品，我们也可以在设计时加入一些冗余的结构，以保证其在打印过程中的稳定，避免出现错位。3. 参考文献

[1].卢秉恒，李涤尘.增材制造（3D 打印）技术发展[J].机械制造与自动化，2013，42（4）：1-4.

[2]. 胡碧康，周丽红. FDM 3D打印件缺陷产生原因及处理方法的研究[J].表面工程与再制造，2017，第17卷,，第6期，P37-38.

[3]. 高文嫱. 科技创新与应用[J].2017，第30期，P82-83.

[4]. SKOWYRA J，PIETRZAK K，ALHNAN M A．Fabrication of extended--release patient--tailored prednisolone tablets via fused deposition modelling(FDM)3D printing[J]．Eur J Pharm Sci，2015，68：11—17．

[5]. CARNEIRO O S，SILVA A F，GOMES R．Fused deposition modeling with polypropylene[J]．Mater Des，2015，83(4)：768-776．

[6]. 杨继全，戴 宁，侯丽雅 ．三维打印设计与制造[M]．北京：科学出版社，2013:8.

[7]. 彭安华，张剑峰，张江林，等. FDM工艺参数对制件精度影响的实验研究[J].淮海工学院学报（自然科学版），2008，17(1)：21-24.

[8]. 何新英. 熔丝沉积成型控制系统及工艺的研究[D].华中科技大学，2005.

[9]. 倪荣华.熔融沉积快速成型精度研究及其成型过程数值模拟[D]. 山东大学，2013.

[10]. 文 成，徐少华，安芬菊等. FDM三维成型样品缺陷的工艺分析与研究[J]. 制造技术与机床，2017，第5期，P116-119.