2.2　熔融沉积成形制品质量的影响因素

2.2.1　传动结构对制品质量的影响

不同设备的三维传动结构不同，对制品成形质量有着一定的影响。图2-3所示为两款典型的不同传动结构的熔融沉积成形3D打印机，为方便论述，分别称其为A型和B型。

这两款机型均为同步带传动，但三维传动方式不同。A型3D打印机三维运动方式为喷头沿X、Z方向运动，平台沿Y方向运动（以使用者面向打印机视线方向为Y方向，水平方向垂直于Y方向为X方向，竖直方向为Z方向），实现三轴联动。而B型打印机为喷头沿X、Y水平方向运动，平台沿Z方向运动。

不同三维运动方式导致打印过程对圆柱体模型产生的振动不同。使用两款3D打印机以相同材料和相同打印参数制作直径6mm、高度100mm的圆柱体，如图2-4所示。

由图2-4可知，B型3D打印机制作的圆柱体表面较为光滑，而A型3D打印机制作的圆柱体顶端有明显水平方向位移，导致打印失败。如图2-5所示，由于A型3D打印机的成形平台沿Y方向运动，当平台高速运动时，随打印位置升高，制品顶部摆动幅度增大，喷头挤出的熔融耗材不能在规定位置沉积，导致层纹明显，产生水平位移，甚至摆动幅度过大导致制品脱落，成形失败。

A型3D打印机工作时可适度降低沿Y方向移动的速度，减小制品摆动幅度，提高制品精度和成形成功率，也可在打印设置中在制品与成形平台接触面下方加一底座，如图2-6所示，底座形状与制品底面形状相同且底座面积比制品底面大，增加制品与成形平台接触面积也可减小平台高速运动时制品的侧向摆动幅度，提高制品精度。而B型3D打印机工作时其平台没有侧向运动惯量，故打印速度改变对其制品精度影响较小。

图2-7（a）所示为一种并联臂式传动结构的3D打印机，该结构的3D打印设备打印速度较快，但打印精度稍低，且喷头调平困难，故未能大规模应用。图2-7（b）所示为一种五轴联动3D打印机，该设备成形平台可变换角度，亦可旋转，可有效避免使用支撑结构，一定程度上可以提高设备加工精度、材料利用率和可加工零件样式，故该结构具有较好的发展前景。

根据设备制得制品精度级别和打印稳定性的不同，熔融沉积成形设备可分为消费级与工业级，如图2-8所示。工业级设备制得的制品精度、强度较高，可满足工业上的部分需求，如3D打印的航空器、汽车结构件；而消费级设备价格低廉，虽不能达到工业要求，但依然可以满足制作日常用品的需求，可见熔融沉积成形3D打印技术应用场景的覆盖面较为广泛。

2.2.2　材料种类对制品质量的影响

不同的打印材料打印的制品具有不同的品质。在制品打印过程中熔融耗材从下至上堆积，在温度迅速降低过程中，层间、制品表层与内部温度差异导致体积收缩量不同而产生内应力，由此产生翘曲变形，严重影响制品精度，甚至导致成形失败。通常来讲，材料收缩率越小、熔融流动性越好、打印温度越低，越利于提高打印制品质量。ABS属于非结晶性热塑型高分子材料，收缩率为0.4%～0.9%，无毒、无味，未改性粒料外观呈象牙色半透明。PLA是以乳酸为主要原料聚合得到的聚合物，原料来源充分，而且可生物降解，主要以玉米、木薯等为原料，收缩率约为0.3%，热稳定性好，加工温度175℃左右。

图2-9所示为PLA材料和ABS材料打印制品的边缘照片，明显可见ABS材料翘曲现象更为严重，外形误差较大。改善翘曲变形现象有以下方法：

①提高打印环境温度，减小环境温度与制品温差，可通过增加成形腔内整体加热或成形平台加热功能解决。

②利用切片软件在制品下方增加大面积制品底座，如图2-10所示，增大制品底面与成形平台接触面积，使制品与成形平台接触更加紧密。

③更换收缩率较小的材料或改善材料性能。

④增加成形平台粗糙度，增大制品底面与成形平台接触面积。

2.2.3　工艺参数对制品质量的影响

熔融沉积成形工艺中有众多可调整的工艺参数，这些工艺参数将直接影响制品的成形质量。下面对熔融沉积成形工艺的主要工艺参数对制品质量的影响进行逐一分析。

（1）层高

熔融沉积3D打印机喷头孔径大多为0.2～0.4mm，喷头形状为圆形，为保证上下两层能够牢固地黏结，层高需要小于喷头直径。如图2-11所示，当PLA材料打印层高小于喷头直径时，通过喷头对熔融状态耗材向下的挤压与耗材挤出量的控制实现材料的沉积。理论上制品表面精度主要由层高决定，层高越小，表面层纹凸起部分越小，其表面粗糙度越小，精度越高。如图2-12所示为光学显微镜下PLA材料打印层高分别为0.1mm、0.2mm和0.3mm时制品的表面质量。

3D打印是一种由下至上的逐层堆叠成形技术，故每层堆叠的层高对于制品精度有重大影响，尤其是在制品表面有一定斜度的情况下，如图2-13所示，实际打印制品轮廓会与理论模型产生一定尺寸超差，制品表面出现阶梯状纹路，我们称之为“台阶效应”。

层数增加，制品实际轮廓相较于理论模型轮廓的超差部分体积越小；层高相同、斜度越大，制品实际轮廓相较于理论模型轮廓的超差部分体积越小。反之层数越少、斜度越小、层高越大，台阶效应越明显。

（2）填充样式与填充率

熔融沉积成形工艺制品内部可设置不同密度、不同样式的网格填充，如图2-14所示。填充率为100%则制品是实心结构，填充率为0则制品是空壳结构，填充率越高，制品强度越高。制品内部的填充网格的密度与形状可根据制品所需强度不同而自由设定，使制品在力学强度与节省材料间选取最优平衡点。

（3）打印速度

熔融沉积成形工艺喷头与运动平台的相对运动速度即为打印速度。如图2-15所示，以喷头运动为例，在快速折返运动或圆周运动时，喷头会在X方向或Y方向做快速的“加速-减速”运动。由于3D打印机的打印速度控制一般为开环控制，惯性会使喷头运动超出指定位置，使制品尺寸大于理想尺寸。

对于改善制品表面因喷头惯性产生均匀凹凸痕迹的现象，可采用适当降低填充速度的方式或降低填充与外部边界的重叠率实现。

（4）温度

对于热塑性高分子材料而言，流动性与温度成正相关。温度过高，材料流动性过好，会导致制品边缘不规则、发生变形、成形尺寸与理想尺寸不一致等现象产生；温度过低，材料流动性变差，可能会产生出料不稳定、层间黏结性差等问题。

（5）支撑

如图2-16所示，当制品为上端大、底部小的形状时，其上方悬空部分的正下方必须制作支撑才可架起上方制品。支撑部分在打印结束后需去除，但制品表面与填充网格的点接触部分难以完全去除，导致制品界面边缘极为粗糙，无法满足制品精度要求。故对于表面精度要求较高的模型，应尽量避免支撑的使用或将支撑与制品接触面设置在制品的非功能面。

如图2-17所示，支撑部分为网格状，制品实体部分依靠熔丝自身张力悬放于支撑网格上方，支撑部分与制品实体部分为点接触，熔丝由于自身重力原因在支撑网格的空隙会发生下垂现象，导致制品边界部分变形或超出理想边界。

影响熔融沉积成形制品质量的工艺参数众多，各参数间存在耦合关系且参数与制品质量间的关系很大程度上与3D打印设备相关，导致了难以对工艺参数与制品质量进行定量分析，本书仅对较为重要的影响因素进行了定性分析。无论是定性分析还是定量分析，都可为提高熔融沉积成形制品质量提供理论指导并有助于进一步推动熔融沉积成形技术进入工业、医疗、建筑以及日常消费领域的实际应用之中。