摘 要

近些年来，3D打印等字眼越来越多的出现在我们的日常生活中，3D打印也逐渐被大多数人所熟知。熔融沉积成型作为3D打印的主要实现技术之一，由于其价格低廉，操作简单方便，成型快速等优点迅速成为装机容量最大的3D打印系统。但是熔融沉积成型产品的诸多结构缺陷是制约其发现的重要因素，本文建立了相关三维模型并采用熔融沉积成型进行了打印，重点研究了熔融沉积成型产品容易出现的拉丝、翘曲、错位三种结构缺陷，分析了三种缺陷的成因，提出了改善方法和一些打印过程中需要注意的事项，结果表明:为打印机添加回抽丝材的程序或是在打印机喷头处添加卡口可以有效减少拉丝现象；合理的使用支撑，在某些不稳定的部位设计一些冗余的结构以保持其稳定，能在很大程度上防止错位；将打印参数中的层高设置的较小，可以提高产品表面质量和强度。所得结果对于优化熔融沉积成型打印机设计，提高打印产品质量，减少产品结构缺陷具有重要的指导意义。

关键词：3D打印；拉丝；翘曲；错位；结构缺陷

Abstract

In recent years, 3D printing and other words more and more appear in our daily life, 3D printing is also gradually known to most people. As one of the main realization technologies of 3D printing, melt deposition molding has become the largest installed capacity of 3D printing system because of its low price, simple and convenient operation, rapid molding and so on.However, many structural defects of melt deposition molding products are important factors restricting their discovery.In this paper, the relevant three-dimensional model is established and printed by melt deposition molding.In this paper, three kinds of structural defects, such as wire drawing, warping and dislocation, which are easy to appear in melt deposition molding products, are studied, the causes of the three defects are analyzed, and the improvement methods and some matters needing attention in the printing process are put forward.The results show that adding back drawing material to the printer or adding bayonet at the printer nozzle can effectively reduce the wire drawing phenomenon, reasonably use the support, and design some redundant structures in some unstable parts to keep it stable.It can prevent dislocation to a great extent; setting the height of the layer in the printing parameters to a small size can improve the surface quality and strength of the product.The results have important guiding significance for optimizing the design of melt deposition molding printer, improving the quality of printing products and reducing the defects of product structure.

Key words：3D printing; drawing wire; warping; dislocation; structural defect

目录

1.绪论 1

1.1课题背景 1

1.2本课题研究工作目的及意义 2

1.2.1课题意义 2

1.2.2课题研究内容 3

1.2.3课题研究目标 3

1.2.4缺陷分析的执行方案 4

1.3国内外研究现状 4

2.模型设计以及参数设定 6

3.模型打印结果 9

3.1缺陷一：拉丝 9

3.2缺陷二：翘曲 11

3.3缺陷三：错位 12

4.解决办法以及参数的改进 15

5.结论及致谢 17

1.绪论

随着工业现代化的不断发展，工业零件越来越复杂，对加工工艺也提出了越来越高的要求，传统的加工工艺无法完全满足许多现代工业零件的加工要求，传统加工工艺很难甚至无法对某些异形零件进行加工，这时3D打印应运而生。在19世纪末的美国，3D打印思想开始出现[1]，并于20世纪80年代得以发扬和传播。

3D打印是通过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[2]。这种技术相较于减材去除(切削加工)技术，它的零件模型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，降低了生产材料的浪费，极大地减少了产品的研制周期和生产成本[3]。

传统制造方式往往是通过对一块原材料进行车铣刨磨等各种加工除去多余的部分，得到完成的零部件，最后通过这种拼装、连接得到产品[4]，整个生产研制的周期很长，而3D打印研发和生产的周期很短，理论上可以制造任何形状的零部件，尤其对于那些形状复杂的异形件，3D打印相比传统制造方法有着巨大的优势，积极发展3D打印技术，将其与传统制造方法相结合，能有效提高我国的制造业水平。

1.1课题背景

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[5]，随后DTM，Z Corp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，如下表1.1：

其中FDM技术（熔融沉积成型）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，在进行打印之前先利用软件读取三维模型数据并将其分层，生成打印轨迹和打印程序，然后打印机读取打印程序，加热喷头，丝材在高温的打印机喷头处熔化，挤出后遇冷迅速凝结固化，然后通过打印机喷头在平面上的不断摆动打印并向上位移形成立体实物。

表1.1 3D打印主要实现技术

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[7-9]。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[10]。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[11]。4.错位，这种情况大多数是因为已经打好的部分自身固定不牢受到外力作用发生移动导致的。5.坍塌，这主要是因为喷嘴温度过高，熔融的丝材过于偏向于液态，流动性太强导致的[12]。6.表面质量差，这在一定程度上是由熔融沉积成型的原理导致的，因为是逐层打印成型，难免存在制件表面的阶梯感。

1.2本课题研究工作目的及意义

1.2.1课题意义

熔融沉积成型系统是目前使用最广泛，装机容量最大的3D打印系统之一[13-14]，找出熔融沉积成型系统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。

1.2.2课题研究内容

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，因此影响打印产品质量和性能的主要原因之一就是翘曲变形。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[15-16]。

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。

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整体或者某些部位固定不牢导致的，这种错位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。

1.2.3课题研究目标

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，使得熔融沉积式3D打印的产品出现翘曲、拉丝、错位三种结构缺陷的情况减少，在一定程度上提高成品质量。

1.2.4缺陷分析的执行方案

对于翘曲缺陷，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，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，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，也可以使用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，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，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。

1.3国内外研究现状

世界现在进行着第三次工业革命，这次改革会使世界多国的生产工业的进展发生巨大改变，3 D打印是这次革命中一个非常有象征性的技术，而且伴着3 D相关打印技术的持续进展与突破，3 D打印技术产业以发展迅猛。全球3D打印产值规模由2010年的70亿人民币增长到2016年的380亿人民币，年均复合增长率约为24.6％。3D打印被美国与欧洲的诸多刊物评选为最快增长的工业之一。伴随着3 D打印技术的快速成长和3 D打印技术在在制造、医疗、教育、航空航天、军事等多个领域的不断开拓，预计未来较长一段时间内全球3 D打印行业将继续保持快速增长的态势。

国外研究3 D打印技术较早，目前3 D打印的主要关键技术均由国外发现，国外也出现了不少专业的，规模化开发和生产3 D打印设备的跨国公司，比如3 D system、 Z corp、 Stratasys等，起初3 D打印制造的制品大多品质较差，价格并不便宜，但是后来由于材料科学和3 D打印相关技术的迅速发展，3 D打印制品的品质迅速变好，3 D打印由于它和传统制造相比，它的不同一般的长处也开始真正进入到各个行业。