增材制造與創(chuàng)新設(shè)計(jì)：從概念到產(chǎn)品 課件 第4章 增材制造前處理及工藝規(guī)劃

第4章增材制造前處理及工藝規(guī)劃增材制造與創(chuàng)新設(shè)計(jì)：從概念到產(chǎn)品目錄contents32144.4模型打印實(shí)戰(zhàn)4.33D打印成型精度控制4.2機(jī)械調(diào)試（硬件）4.1切片軟件（軟件）案例導(dǎo)入上一章我們學(xué)習(xí)了建模技術(shù)，接下來(lái)到了打印環(huán)節(jié)，打印時(shí)給模型分層切片需要使用哪些軟件？打印機(jī)是由什么關(guān)鍵零部件組成的？需要注意哪些參數(shù)以確保打印模型質(zhì)量和穩(wěn)定性呢？本章學(xué)習(xí)目標(biāo)1、認(rèn)知目標(biāo)

熟悉Cura、Simplify等切片軟件使用界面和功能特點(diǎn)，掌握切片軟件的基本操作方法，包括導(dǎo)入3D模型、調(diào)整切片參數(shù)、導(dǎo)出打印文件等步驟，能夠熟練運(yùn)用該軟件進(jìn)行切片操作，以滿(mǎn)足不同的打印需求。

理解切片軟件在3D打印過(guò)程中的作用，能夠分析切片參數(shù)對(duì)打印質(zhì)量和效率的影響，并做出合理的參數(shù)調(diào)整。

了解各種Gcode代碼釋義。

熟悉3D打印機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，認(rèn)識(shí)FDM機(jī)器硬件控制的基本裝置，包括噴頭裝置、溫控裝置、運(yùn)動(dòng)裝置、送絲裝置等。2、能力目標(biāo)

掌握打印模型的精度測(cè)試方法，理解成型精度的各種影響因素，學(xué)會(huì)成型平臺(tái)調(diào)平的能力。

掌握整個(gè)3D打印流程，培養(yǎng)使用軟件和操作3D打印機(jī)的能力。3、素養(yǎng)目標(biāo)

培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐和動(dòng)手操作能力及科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度。4.1切片軟件

Cura和Simplify都是3D打印切片軟件領(lǐng)域的佼佼者，它們各自具備獨(dú)特的功能和優(yōu)勢(shì)，為用戶(hù)提供了高效、高質(zhì)量的3D打印體驗(yàn)。無(wú)論是初學(xué)者還是專(zhuān)業(yè)人士，都可以根據(jù)自己的需求選擇適合的切片軟件來(lái)完成3D打印任務(wù)，其軟件簡(jiǎn)介如下表所示。軟件名稱(chēng)制造公司軟件特色CuraUltimaker公司切片速度快、自動(dòng)修復(fù)模型中的不足、支持準(zhǔn)備動(dòng)態(tài)性模型、通用性和開(kāi)放性。SimplifyGermanRepRap公司廣泛的兼容性、支持多種類(lèi)型文件導(dǎo)入、可以對(duì)3D模型進(jìn)行縮放、修復(fù)和創(chuàng)建G代碼、多模型打印和雙色打印，且每個(gè)模型都可以有獨(dú)立的打印參數(shù)。Cura是一款功能強(qiáng)大且易于使用的3D打印軟件，由著名的3D打印機(jī)生產(chǎn)商Ultimaker企業(yè)研發(fā)。這款軟件以其強(qiáng)大的功能和用戶(hù)友好的界面設(shè)計(jì)，受到全球數(shù)百萬(wàn)用戶(hù)的信任，其操作流程如下圖所示。4.1.1CURA軟件操作方法Simplify切片軟件是一款在3D打印領(lǐng)域中備受贊譽(yù)的專(zhuān)業(yè)軟件，它以其強(qiáng)大的功能、靈活的定制選項(xiàng)以及出色的兼容性，贏(yíng)得了眾多3D打印愛(ài)好者和專(zhuān)業(yè)人士的青睞。Simplify切片軟件的一個(gè)顯著特點(diǎn)是其強(qiáng)大的多模型打印功能。它支持在同一個(gè)打印床上打印多個(gè)模型，且每個(gè)模型都可以擁有獨(dú)立的打印參數(shù)設(shè)置，具體介紹可去官網(wǎng)查看，其大致操作流程跟Cura軟件類(lèi)似，如下圖所示。4.1.2Simplify操作方法除了上述的CURA和Simplify軟件外，國(guó)外常用的軟件如下圖所示：4.1.3國(guó)外常用切片軟件簡(jiǎn)介相比傳統(tǒng)工藝，3D打印技術(shù)擁有更好的靈活性和更高的效率，但是3D打印的實(shí)物制品有時(shí)存在質(zhì)量欠佳的情況。3D打印工作過(guò)程需要根據(jù)不同的材料，設(shè)置不同的工藝參數(shù)，如分層厚度、噴嘴直徑，掃描速度、擠出速度、填充速度、噴嘴溫度、理想輪廓線(xiàn)的補(bǔ)償量、延遲時(shí)間、填充結(jié)構(gòu)和填充百分比、邊界層數(shù)等。特別是熔融沉積成型3D打印技術(shù)，對(duì)于相關(guān)工藝參數(shù)的設(shè)置更為嚴(yán)格，工藝參數(shù)的設(shè)置將直接影響成品的質(zhì)量、精度和力學(xué)性能，3D打印技術(shù)在面對(duì)不同要求的情況下，改變工藝參數(shù)來(lái)達(dá)到更高的成型精度以符合打印需求的靈活性，以Simplify軟件參數(shù)調(diào)整界面為例，如圖所示，①為設(shè)置材料和打印質(zhì)量的窗口；②為設(shè)置填充率的窗口；③為設(shè)置噴嘴直徑的窗口，其余參數(shù)設(shè)置詳見(jiàn)（配套光盤(pán)中Simplify軟件操作部分），這里就不過(guò)多展示了，下面對(duì)需主要調(diào)整的工藝參數(shù)特點(diǎn)做詳細(xì)介紹。4.1.43D打印工藝參數(shù)窗口

Simplify軟件參數(shù)調(diào)整界面1

分層厚度：分層厚度是指將三維數(shù)據(jù)模型進(jìn)行切片時(shí)層與層之間的高度，也是FDM系統(tǒng)在堆積填充實(shí)體時(shí)每層的厚度。設(shè)置時(shí)必須盡可能與實(shí)際情況相符。通常情況下，它略小于噴頭口的直徑，并且具有多樣化的設(shè)置選項(xiàng)。分層厚度較大時(shí)，原型表面會(huì)有明顯的“臺(tái)階”，影響原型的表面質(zhì)量和精度;分層厚度較小時(shí)，原型精度會(huì)較高，但需要加工的層數(shù)增多，成型時(shí)間也就較長(zhǎng)。例如，可以設(shè)定第一層和其他層的高度不同。這是因?yàn)榈谝粚泳哂刑厥庑?，直接在工作平臺(tái)上鋪設(shè)可能會(huì)引發(fā)問(wèn)題，而其他層則是在已有材料上進(jìn)行鋪設(shè)。

噴嘴直徑：噴嘴直徑直接影響噴絲的粗細(xì)，一般噴絲越細(xì)，原型精度越高，但每層的加工路徑會(huì)更密更長(zhǎng)，成型時(shí)間也就越長(zhǎng)。工藝過(guò)程中為了保證上下兩層能夠牢固地黏結(jié)，一般分層厚度需要小于噴嘴直徑，例如噴嘴直徑為0.15mm，分層厚度取0.1mm。2

掃描速度：掃描速度指打印噴頭在底板上水平移動(dòng)的速度。噴頭的運(yùn)動(dòng)速度實(shí)際上是個(gè)比較復(fù)雜的參數(shù)，噴頭的運(yùn)動(dòng)方式有多種，包括噴材料時(shí)的速度、僅移動(dòng)噴嘴而不噴材料時(shí)的移動(dòng)速度，以及在進(jìn)行飛線(xiàn)操作時(shí)的運(yùn)動(dòng)速度（即在打印空心區(qū)域，例如制作空心盒子頂部）?？梢赃M(jìn)行調(diào)整以確保在打印首層時(shí)采用與其他層不同的速度（考慮到首層打印的重要性）。設(shè)定過(guò)高的速度可能導(dǎo)致電機(jī)的響應(yīng)性不足，使得打印的層間粘附不牢固。相反，若速度設(shè)定太低，則可能會(huì)浪費(fèi)時(shí)間。通常，3D打印機(jī)制造商提供了在同時(shí)噴材料和移動(dòng)時(shí)的建議速度值。如果使用此值進(jìn)行打印時(shí)發(fā)現(xiàn)層間粘附問(wèn)題，且噴頭高度適當(dāng)，可能需要適度降低建議速度。至于其他速度參數(shù)，軟件內(nèi)部會(huì)生成相應(yīng)的算法。在需要調(diào)整其他速度時(shí)，需在軟件中進(jìn)行相應(yīng)修改。3

擠出速度：擠出速度是指噴絲在送絲機(jī)構(gòu)的作用下，從噴嘴中擠出時(shí)的速度。擠出速度及掃描速度共同決定著擠出絲線(xiàn)在底板上的沉積寬度及表面質(zhì)量。如果擠出速度相對(duì)掃描速度過(guò)小，擠出的絲材不足以形成足夠?qū)挾鹊某练e絲線(xiàn)，沉積絲線(xiàn)會(huì)被拉長(zhǎng)甚至斷裂，導(dǎo)致與底板或已堆積層的粘結(jié)強(qiáng)度不夠，成型件容易出現(xiàn)翹曲狀態(tài)，且強(qiáng)度較低。同時(shí)較低的擠出速度會(huì)導(dǎo)致熔腔壓力過(guò)低，并伴隨熔體內(nèi)部出現(xiàn)氣孔等缺陷；如果擠出速度較掃描速度過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致噴嘴擠出的材料不能及時(shí)鋪開(kāi)，堆積多余的材料在沉積絲線(xiàn)上，影響成型精度甚至造成噴頭的堵塞，同時(shí)過(guò)高的擠出速度會(huì)造成熔池內(nèi)的材料得不到充分的加熱融化就被擠出，使得擠出困難。因此需要確保擠出速度與掃描速度在一個(gè)合適的比例區(qū)間內(nèi)。一般來(lái)說(shuō)，打印機(jī)選擇合適的擠出速度后，通過(guò)調(diào)整掃描速度來(lái)獲得合格的單絲精度及成型質(zhì)量，因此，噴材料的擠出速度與掃描速度之間存在相互耦合的關(guān)系。45

填充速度：填充速度則是指頭在運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的作用下，按輪廓路徑和填充路徑運(yùn)動(dòng)時(shí)的速度。在保證運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)行平穩(wěn)的前提下，填充速度越快，成型時(shí)間越短，效率越高。另外，為了保證連續(xù)平穩(wěn)地出絲，需要將擠出速度和填充速度進(jìn)行合理匹配，使得噴絲從噴嘴擠出時(shí)的體積等于黏結(jié)時(shí)的體積(此時(shí)還需要考慮材料的收縮率)。如果填充速度與擠出速度匹配后出絲太慢，則材料填充不足，出現(xiàn)斷絲現(xiàn)象，難以成型;相反，填充速度與擠出速度匹配后出絲太快，熔絲堆積在噴頭上，使成型面材料分布不均勻，影響造型質(zhì)量。6

噴嘴溫度：噴嘴溫度是指系統(tǒng)工作時(shí)將噴嘴加熱到的一定溫度。環(huán)境溫度是指系統(tǒng)工作時(shí)原型周?chē)h(huán)境的溫度，通常是指工作室的溫度。噴嘴溫度應(yīng)在一定的范圍內(nèi)選擇，使擠出的絲呈黏強(qiáng)性流體狀態(tài)，即保持材料黏性系數(shù)在一個(gè)適用的范圍內(nèi)。環(huán)境溫度則會(huì)影響成型零件的熱應(yīng)力大小，影響原型的表面質(zhì)量。不同材料有不同的熔點(diǎn)溫度，所以需要根據(jù)材料的特性來(lái)調(diào)整噴嘴溫度。7

理想輪廓線(xiàn)的補(bǔ)償量：在增材制造的成型過(guò)程中，由于噴絲具有一定的寬度，造成填充輪廓路徑時(shí)的實(shí)際輪線(xiàn)超出理想輪廓線(xiàn)一些區(qū)域，因此，需要在生成輪廓路徑時(shí)對(duì)理想輪線(xiàn)進(jìn)行補(bǔ)償。該補(bǔ)償值稱(chēng)為理想輪廓線(xiàn)的補(bǔ)償量，它應(yīng)當(dāng)是擠出絲寬度的一半。而工藝過(guò)程中擠出絲的形狀、尺寸受到噴嘴孔直徑、分層厚度、擠出速度、填充速度、噴嘴溫度、成型室溫度、材料黏性系數(shù)及材料收縮率等諸多因素的影響，因此，擠出絲的寬度并不是一個(gè)固定值，從而，理想輪廓線(xiàn)的補(bǔ)償量需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)置調(diào)節(jié)，其補(bǔ)償量設(shè)置正確與否，直接影響著原型制件尺寸精度和幾何精度。

延遲時(shí)間：延遲時(shí)間包括出絲延遲時(shí)間和斷絲延遲時(shí)間。當(dāng)送絲機(jī)構(gòu)開(kāi)始送絲時(shí)，不會(huì)立即出絲，而有一定的滯后，把這段滯后時(shí)間稱(chēng)為出絲延遲時(shí)間。同樣當(dāng)送絲機(jī)構(gòu)停止送絲時(shí)，噴嘴也不會(huì)立即斷絲，把這段滯后時(shí)間稱(chēng)為斷絲延遲時(shí)間。在工藝過(guò)程中，需要合理地設(shè)置延遲時(shí)間參數(shù)，否則會(huì)出現(xiàn)拉絲太細(xì)、黏結(jié)不牢或未能動(dòng)結(jié)，甚至斷絲、缺絲的現(xiàn)象;或者出現(xiàn)堆絲、積瘤等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響原型的質(zhì)量和精度。8

填充結(jié)構(gòu)和填充百分比：填充結(jié)構(gòu)和填充百分比是影響3D打印材料力學(xué)性能、生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量的重要因素，所以填充結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是工藝參數(shù)調(diào)整的重要部分，應(yīng)根據(jù)模型的形狀和結(jié)構(gòu)合理確定支撐點(diǎn)的密度和位置，以提供足夠的支撐力和穩(wěn)定性。如圖是增材制造部分填充結(jié)構(gòu)的示意圖。在選擇合適的填充結(jié)構(gòu)時(shí)，需要考慮模型結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性、應(yīng)用場(chǎng)景的具體要求、成型速度以及材料消耗等因素。9

這些不同的填充結(jié)構(gòu)在3D打印制品中表現(xiàn)出不同的層特性。例如，蜂窩型填充的每一層圖案形成正六邊形結(jié)構(gòu)，使其在垂直方向上具有優(yōu)秀的抗拉壓強(qiáng)度。同心和螺旋結(jié)構(gòu)類(lèi)似于樹(shù)木的年輪，展現(xiàn)出正交各向異性的特性，直線(xiàn)和折線(xiàn)結(jié)構(gòu)具有橫觀(guān)各向同性的取向特征。此外，還有許多優(yōu)秀的創(chuàng)新填充方式，如圖，在填充晶格結(jié)構(gòu)元素內(nèi)部進(jìn)行內(nèi)核擴(kuò)展，賦予模型新的數(shù)據(jù)特征，即在“細(xì)胞里添加細(xì)胞”，是一種基于晶格的二次幾何擴(kuò)展方法。這種填充結(jié)構(gòu)優(yōu)化能更好地體現(xiàn)模型的受力傳遞路徑，改善了晶格模型的力學(xué)性能，減少打印件的填充體積與重量。

填充百分比指的是在創(chuàng)建實(shí)心物體時(shí)，內(nèi)部填充的形狀和材料占據(jù)整體體積的百分比。

邊界層數(shù)：設(shè)定填充百分比參數(shù)后，確定邊界層數(shù)。這些邊界層被用來(lái)包裹填充結(jié)構(gòu)，類(lèi)似于包裹蜂窩外殼一樣，以環(huán)繞實(shí)心物體形成填充。透過(guò)增加外殼層數(shù)，可以增強(qiáng)打印零件的強(qiáng)度。另外，還可以調(diào)整其他參數(shù)，以精確控制3D打印機(jī)生成G代碼的方式，甚至在生成G代碼后添加自定義的G代碼，例如在打印完成后維持加熱板的溫度以便進(jìn)行后續(xù)工作。101、G代碼是什么：Gcode是一種計(jì)算機(jī)數(shù)字控制（CNC）語(yǔ)言，通常用于控制3D打印機(jī)，是3D打印過(guò)程中不可或缺的重要參數(shù)之一，作為控制3D打印設(shè)備的語(yǔ)言，其編譯過(guò)程決定了產(chǎn)品質(zhì)量和打印速度等方面的表現(xiàn)。在實(shí)際應(yīng)用中，用戶(hù)通常需要根據(jù)自己的需求，調(diào)整Gcode參數(shù)，以達(dá)到最優(yōu)效果。G代碼在3D打印中使用的兩種命令之一:“通用”和“雜項(xiàng)”命令。一般命令行負(fù)責(zé)3D打印機(jī)中的運(yùn)動(dòng)類(lèi)型。這樣的命令用字母“G”來(lái)標(biāo)識(shí)，就像在G命令中一樣。除了控制打印頭的三軸運(yùn)動(dòng)外，它們還負(fù)責(zé)擠出長(zhǎng)絲。另一方面，雜項(xiàng)命令指示機(jī)器執(zhí)行非幾何任務(wù)。在3D打印中，這些任務(wù)包括噴嘴和床的加熱命令，風(fēng)扇控制，以及許多其他任務(wù)。其他命令用字母“M”標(biāo)識(shí)。4.1.5切片軟件常用Gcode編碼解析2、G代碼語(yǔ)法：每個(gè)G-code命令行都遵循特定的語(yǔ)法。任何給定行的第一個(gè)參數(shù)是命令代碼本身。正如我們所看到的，它可以是“G”或“M”代碼類(lèi)型，后面跟著標(biāo)識(shí)命令的數(shù)字。例如，“G0”對(duì)應(yīng)線(xiàn)性移動(dòng)命令。接下來(lái)是更準(zhǔn)確地定義命令的參數(shù)。對(duì)于G0線(xiàn)性移動(dòng)，這些參數(shù)包括最終位置和移動(dòng)速度，也由大寫(xiě)字母標(biāo)識(shí)，每個(gè)命令都有自己的一組參數(shù)。3、G代碼釋義：（1）G0&G1：線(xiàn)性運(yùn)動(dòng)G0和G1命令都執(zhí)行線(xiàn)性移動(dòng)。按照慣例，G0用于初始和移動(dòng)等非擠壓運(yùn)動(dòng)，而G1包含所有擠壓線(xiàn)性運(yùn)動(dòng)。不過(guò)，這兩個(gè)命令的功能是相同的。G0或G1的參數(shù)包括所有X、Y和z軸的最終位置，移動(dòng)過(guò)程中要執(zhí)行的擠壓量，以及由設(shè)定單位中的進(jìn)給速率指定的速度。（2）G90&G91：絕對(duì)和相對(duì)定位G90和G91命令告訴機(jī)器如何解釋用于運(yùn)動(dòng)的坐標(biāo)。G90建立的是“絕對(duì)定位”，這通常是默認(rèn)的，而G91建立的是“相對(duì)定位”。這兩個(gè)命令都不需要任何參數(shù)，設(shè)置一個(gè)會(huì)自動(dòng)取消另一個(gè)。定位的工作方式非常簡(jiǎn)單，所以讓我們直接進(jìn)入。（3）M104，M109，M140，&M190：設(shè)定溫度這些是基本的雜項(xiàng)命令，同樣，不涉及任何動(dòng)作。首先，M104命令設(shè)置熱端達(dá)到的目標(biāo)溫度，并保持該溫度，直到另有指示。其中一些參數(shù)包括實(shí)際溫度值（S）和需要加熱的打印頭（T）（用于多個(gè)擠出設(shè)置）。4、3D打印常見(jiàn)的Gcode參數(shù)：下面再介紹一些常用的Gcode編碼解析，具體的Gcode編碼解析參見(jiàn)附錄2：（1）溫度參數(shù)（M104和M109）：控制打印頭和熱床的溫度。（2）層高參數(shù)（M907和G1Z）：控制每一層的高度和將打印頭移動(dòng)到新層的位置。（3）打印速度參數(shù)（G0和G1）：控制打印頭的移動(dòng)速度。（4）坐標(biāo)參數(shù)（G0和G1）：控制打印頭的移動(dòng)位置。（5）擠出量參數(shù)（M83和G1E）：控制材料的擠出量。（6）自動(dòng)擠出參數(shù)（M107和M106）：控制打印頭周?chē)娘L(fēng)扇的自動(dòng)開(kāi)關(guān)。（7）文件選擇參數(shù)（M23和M632）：選擇要打印的文件。（8）軟件限位參數(shù)（M208和G1X/Y）：限制打印頭的移動(dòng)范圍。（9）自動(dòng)級(jí)調(diào)參數(shù)（G29和M420）：自動(dòng)調(diào)整打印底座的高度。（10）復(fù)位參數(shù)（M502和M501）：將3D打印機(jī)的設(shè)置恢復(fù)到默認(rèn)值。5、?；沾蛴代碼案例展示每個(gè)Gcode語(yǔ)句都具有一定的含義，同時(shí)為了保證正常運(yùn)行，這些語(yǔ)句需要按照預(yù)定順序進(jìn)行編譯。在進(jìn)行編譯時(shí)，需要注意以下幾個(gè)方面：Gcode語(yǔ)句先后順序。在編譯過(guò)程中，Gcode語(yǔ)句的先后順序決定了打印機(jī)的操作順序，如果某些語(yǔ)句的順序出現(xiàn)錯(cuò)誤，就可能導(dǎo)致打印質(zhì)量低下或者完全無(wú)法正常運(yùn)行。參數(shù)設(shè)置。在預(yù)設(shè)參數(shù)和實(shí)際打印中，可能需要進(jìn)行調(diào)整和修改，以適應(yīng)不同的材料和打印要求。實(shí)際運(yùn)行。對(duì)于實(shí)際的3D打印，用戶(hù)需要在電腦端通過(guò)軟件來(lái)完成Gcode編譯，將編譯后的Gcode傳輸?shù)酱蛴C(jī)上，并通過(guò)機(jī)器的LCD面板來(lái)確認(rèn)是否一切正常，才能進(jìn)行打印操作。Gcode編譯是3D打印必備的技術(shù)之一，同時(shí)也是3D打印用戶(hù)必須掌握的技能之一。合理的調(diào)整Gcode參數(shù)，不僅能夠提高打印效率，還能夠提升打印質(zhì)量。因此，用戶(hù)在編寫(xiě)Gcode的過(guò)程中，要了解這些參數(shù)的含義和作用，并根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整和修改，以達(dá)到最好的效果。4.2機(jī)器調(diào)試

任何一臺(tái)機(jī)器都有它們自己的“脾氣”。一臺(tái)機(jī)器對(duì)于一個(gè)工人，就如一桿槍對(duì)于一個(gè)士兵一樣。一個(gè)優(yōu)秀的狙擊手能做到槍人合一，就是充分的了解了手中這把槍。槍也是機(jī)器，雖然這些槍有著同樣的型號(hào)，但是細(xì)節(jié)都不會(huì)一模一樣的。對(duì)于追求精度的狙擊手而言，這些小細(xì)節(jié)都特別重要。同樣，對(duì)于3D打印機(jī)這樣追求精度至少應(yīng)該在零點(diǎn)幾毫米一下的機(jī)器而言，也需要操作它的人注意各種細(xì)節(jié)問(wèn)題。

4.2.1機(jī)械硬件控制1

噴頭裝置：噴頭裝置一般是由一個(gè)步進(jìn)電機(jī)，一個(gè)加熱器，一個(gè)噴嘴和一個(gè)風(fēng)扇組成。加熱器加熱噴嘴，步進(jìn)電機(jī)的軸轉(zhuǎn)動(dòng)，把耗材絲擠出到噴嘴，然后噴嘴把材料沾在熱床或上一層材料上，風(fēng)扇給步進(jìn)電機(jī)散熱。噴頭是3D打印機(jī)中的核心部件之一，負(fù)責(zé)將熔融的材料（如塑料、金屬等）以極細(xì)的絲狀噴射出來(lái)。噴嘴的設(shè)計(jì)和材料對(duì)打印質(zhì)量有重要影響，噴嘴的直徑?jīng)Q定了打印層的厚度和精度。一些高級(jí)的3D打印機(jī)還配備了多個(gè)噴嘴，以實(shí)現(xiàn)多材料打印或支持不同的打印技術(shù)。噴嘴的維護(hù)和更換也是3D打印機(jī)使用過(guò)程中需要考慮的重要因素。2

溫控裝置：溫控裝置通常包括溫度傳感器、加熱元件和溫度控制算法，以確保溫度的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。溫控裝置用于精確控制打印過(guò)程中噴嘴和打印平臺(tái)的溫度，給整個(gè)成型過(guò)程提供一個(gè)恒溫的環(huán)境，噴嘴需要加熱到材料的熔點(diǎn)以上，以確保材料能夠順利擠出。同時(shí)，打印平臺(tái)也需要保持一定的溫度，熔融狀態(tài)的絲擠出成型后如果然冷卻，容易造成翹曲和開(kāi)裂，適當(dāng)?shù)沫h(huán)境溫度可最大限度地減小這種造型缺陷，提高成型質(zhì)量和精度。3

運(yùn)動(dòng)裝置：運(yùn)動(dòng)裝置通常由高精度的步進(jìn)電機(jī)、導(dǎo)軌和滑塊組成，以確保打印頭的定位精度和穩(wěn)定性。運(yùn)動(dòng)裝置是3D打印機(jī)中用于支撐和移動(dòng)打印頭的機(jī)構(gòu)，它能夠在X、Y、Z三個(gè)方向上精確移動(dòng)。增材制造不再要求機(jī)床進(jìn)行三軸及三軸以上的聯(lián)動(dòng)，大大簡(jiǎn)化了機(jī)床的運(yùn)動(dòng)控制，只要能完成二軸聯(lián)動(dòng)就可以了。XY軸的聯(lián)動(dòng)掃描完成噴頭對(duì)截面輪廓的平面掃描，Z軸則帶動(dòng)工作臺(tái)實(shí)現(xiàn)高度方向的進(jìn)給。運(yùn)動(dòng)裝置的移動(dòng)速度和加速度對(duì)打印效率和打印質(zhì)量都有影響，因此需要進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整。一些高級(jí)的3D打印機(jī)還采用了閉環(huán)控制系統(tǒng)，以進(jìn)一步提高運(yùn)動(dòng)裝置的定位精度和動(dòng)態(tài)性能。4

送絲裝置：送絲裝置通常包括一個(gè)絲料卷軸和一個(gè)進(jìn)給機(jī)構(gòu)，絲料卷軸用于存儲(chǔ)打印材料，進(jìn)給機(jī)構(gòu)則負(fù)責(zé)將材料送入噴嘴。送絲要求平穩(wěn)可靠，以確保打印過(guò)程的連續(xù)進(jìn)行。原料絲直徑一般為1～2mm，噴嘴直徑只有0.2～0.3mm左右，這個(gè)差別保證了噴頭內(nèi)一定的壓力和熔融后的原料能以一定的速度(必須與噴頭掃描速度相匹配)被擠出成型。送絲機(jī)構(gòu)和噴頭采用推一拉相結(jié)合的方式，以保證送絲穩(wěn)定可靠，避免斷絲或積瘤。送絲機(jī)裝置的設(shè)計(jì)需要考慮材料的兼容性和輸送效率，以確保打印過(guò)程的穩(wěn)定性和可靠性。一些3D打印機(jī)還配備了自動(dòng)換料系統(tǒng)，可以在打印過(guò)程中自動(dòng)更換材料，提高打印的靈活性和效率。4.2.2打印機(jī)成型平臺(tái)調(diào)平上節(jié)提到的3D打印機(jī)的幾大部分硬件里，需要我們特別注意的就是運(yùn)動(dòng)裝置里的成型平臺(tái)，在長(zhǎng)時(shí)間噴頭的沖擊以及取出打印模型時(shí)對(duì)平臺(tái)的碰撞，都會(huì)使成型平臺(tái)發(fā)生偏移、傾斜等狀況，若成型平臺(tái)不平整，模型的打印可能會(huì)面臨嚴(yán)重問(wèn)題，導(dǎo)致底部無(wú)法順利成型，進(jìn)而打印失敗。此外，如果成型平臺(tái)未經(jīng)調(diào)整，打印時(shí)模型底部可能變得不平均，平臺(tái)較低一側(cè)的層面可能相對(duì)較薄，導(dǎo)致底面傾斜或底部支撐形成不良，底部或底筏可能會(huì)呈現(xiàn)明顯的傾斜，對(duì)成品的精度產(chǎn)生顯著影響。目前大部分機(jī)型都帶有自動(dòng)調(diào)平的功能，這也導(dǎo)致手動(dòng)調(diào)平技術(shù)恰恰成為我們?nèi)菀缀雎缘膯?wèn)題。在自動(dòng)調(diào)平失效或者調(diào)平效果仍不理想的情況下，掌握手動(dòng)調(diào)平技術(shù)就尤為重要，本節(jié)就詳細(xì)介紹一下如何進(jìn)行手動(dòng)調(diào)平。平臺(tái)平整度測(cè)試步驟如下圖所示：1、加入調(diào)平模型：本模型使用單層互相連接的九個(gè)方塊，以Cura切片軟件為例，加入調(diào)平模型步驟：擴(kuò)展→Partforcalibration→AddaBedlevelCalibration。2、檢查模型：檢查調(diào)入的模型是否正確，方便下一步調(diào)整3、調(diào)整模型：因?yàn)槊恳粋€(gè)打印平臺(tái)的大小是不一樣的，所以要調(diào)整這個(gè)模型在xy軸上的大小，點(diǎn)擊“等比例縮放”，拖動(dòng)x軸或者y軸即可調(diào)整模型大小，把模型調(diào)整到剛剛好適合打印平臺(tái)的大小。4、完成打印和模型檢查：調(diào)整完畢后關(guān)閉“等比例縮放”，把z軸設(shè)置回100%，這個(gè)模型實(shí)際上只有一層，打印完成之后，觀(guān)察這9個(gè)方塊與打印平臺(tái)的黏連的情況，厚度是否均勻，即可判斷出打印平臺(tái)的調(diào)平情況。經(jīng)模型測(cè)試后，若打印平臺(tái)存在不平整的情況，需手動(dòng)或者打印機(jī)自帶的自動(dòng)調(diào)平功能進(jìn)行調(diào)平。以太爾時(shí)代桌面級(jí)打印機(jī)為例，進(jìn)行手動(dòng)調(diào)平。打印平臺(tái)調(diào)平步驟如下圖所示：1、首先啟動(dòng)要調(diào)平的打印機(jī)。2、清理打印平臺(tái)和噴嘴尖端的殘留耗材，否則會(huì)影響調(diào)平準(zhǔn)確性。因?yàn)闀?huì)熱脹冷縮，所以打印前先將熱床和噴頭加熱到打印需要的溫度。所以調(diào)平時(shí)也要預(yù)熱到打印溫度。3、達(dá)到適合預(yù)熱溫度后，點(diǎn)擊平臺(tái)校準(zhǔn)→手動(dòng)校準(zhǔn)操作。4、調(diào)第一個(gè)角時(shí)，用一張A4紙，按提示操作，將紙張夾于噴嘴與熱床之間。點(diǎn)擊升高或降低平臺(tái)，每次點(diǎn)擊平臺(tái)Z軸移動(dòng)0.1mm，一邊點(diǎn)擊一邊抽拉紙張。感受A4紙摩擦力，有一點(diǎn)點(diǎn)摩擦力即可。5、如圖所示共有9個(gè)調(diào)平校準(zhǔn)點(diǎn)，從左上角的點(diǎn)開(kāi)始依次按上述要求校準(zhǔn)后，點(diǎn)擊確認(rèn)，即完成校準(zhǔn)。4.33D打印成型精度控制4.3.1成型精度影響因素.3D打印成型精度的影響因素有很多，除了4.1.3節(jié)提到的工藝參數(shù)對(duì)打印精度的影像外，還有哪些主要的方面？增材制造的基本原理和核心思想是什么？

模型數(shù)據(jù)誤差：

STL文件格式由美國(guó)Systems公司為增材制造技術(shù)專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)，是增材制造行業(yè)數(shù)據(jù)文件的主流文件格式。STL文件通過(guò)將原始的CAD三維模型表面進(jìn)行轉(zhuǎn)換而得到，其特點(diǎn)是由許多三角形面片拼接而成。這就造成了對(duì)于一些有弧度的模型的轉(zhuǎn)換中，STL文件模型只是近似于原始CAD模型。這就造成了打印模型與原始模型之間的誤差，原始CAD模型（左）與STL模型（右）對(duì)比如圖所示。1

STL格式通過(guò)鑲嵌CAD模型將零件表面近似為三角形網(wǎng)，它簡(jiǎn)化了幾何體，但零件會(huì)失去分辨率，因?yàn)殍偳逗笾挥腥切危ǘ皇乔€(xiàn)）表示其輪廓。這會(huì)導(dǎo)致弦誤差或缺陷，這是原始CAD表面和鑲嵌模型的相應(yīng)三角形之間的差異。弦效應(yīng)引起的主要缺陷是FDM零件的尺寸變化。與原始CAD模型相比，實(shí)際尺寸在不同的位置上變化不均勻，具體取決于零件幾何形狀，如下圖4-11樓梯形狀的切片，具體原因在下一段講述。一般來(lái)說(shuō)，小尺寸零件和復(fù)雜的形狀發(fā)現(xiàn)尺寸過(guò)大，尺寸精度較低，而大型零件會(huì)出現(xiàn)收縮。這個(gè)問(wèn)題的簡(jiǎn)單解決方案是對(duì)外表面進(jìn)行正偏移。（a）球體CAD模型；（b）弦誤差；（c）樓梯形狀的切片

切片及模型擺放位置誤差：生成STL格式的模型文件后，需要對(duì)模型進(jìn)行切片處理，生成每一層打印切片的G-code代碼數(shù)據(jù)。在進(jìn)行切片的過(guò)程中，因?yàn)榍衅瑢雍竦拇嬖?，在?duì)有傾斜面或曲面的結(jié)構(gòu)進(jìn)行切片時(shí)，會(huì)使用豎直截面為矩形的切片層層堆疊，邊緣處使用直角形狀來(lái)近似模擬真實(shí)的曲線(xiàn)形狀，這樣會(huì)造成邊緣處細(xì)節(jié)的丟失，形成“臺(tái)階效應(yīng)”如圖所示。2

在切片過(guò)程中，另一個(gè)影響成型精度的因素就是沉積成型方向引起的誤差，這一誤差主要由模型在切片過(guò)程中的擺放有關(guān)。對(duì)于模型輪廓來(lái)說(shuō)，該輪廓成型時(shí)的打印路徑所涉及的設(shè)備移動(dòng)方向越少，精度越高。一般情況下，X-Y平面的移動(dòng)精度高于Z軸方向，打印單絲路徑只沿X或只沿Y軸方向比同時(shí)涉及X、Y兩個(gè)方向的移動(dòng)路徑精度更高。同時(shí)模型的擺放需要考慮盡可能減少支撐的存在，模型支撐越多，該面的成型精度越低。如下圖所示，(a)圖中模型擺放方式有著與底板最大的接觸面積，比(b)圖中擺放方式的成型精度更高。

(a)橫放

；

(b)斜放思考彈簧在加工后具有一定的拉伸強(qiáng)度，應(yīng)選擇何種成型方向？

硬件設(shè)備誤差：打印機(jī)的綜合打印精度由移動(dòng)機(jī)構(gòu)的移動(dòng)精度、零件的尺寸精度及裝配精度綜合決定，其中移動(dòng)機(jī)構(gòu)的移動(dòng)精度影響最大。對(duì)于常規(guī)FDM打印設(shè)備，打印機(jī)噴頭及底板的移動(dòng)由驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供動(dòng)力，噴頭組件及打印平臺(tái)安裝在滑軌或光軸上，由同步帶或絲桿傳動(dòng)，這些部件的精度直接影響移動(dòng)精度。一般來(lái)說(shuō)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)使用步進(jìn)電機(jī)，但是步進(jìn)電機(jī)一般為開(kāi)環(huán)控制，且在轉(zhuǎn)速過(guò)高、負(fù)載過(guò)大、頻繁啟動(dòng)時(shí)容易產(chǎn)生丟步現(xiàn)象。對(duì)于較高的運(yùn)動(dòng)精度需求，可以選擇高細(xì)分?jǐn)?shù)的步進(jìn)電機(jī)或采取閉環(huán)控制的伺服電機(jī)。除移動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)誤差之外，成型平臺(tái)的平整度、水平度也會(huì)影響成型精度。成型平臺(tái)平整度較低時(shí)，底層絲材會(huì)出現(xiàn)與底板粘結(jié)程度不均勻的情況，造成底層受力不均的情況；而底板水平度不足出現(xiàn)傾斜時(shí)，打印件會(huì)出現(xiàn)底板較高擠出量不足、噴頭刮擦底板或已沉積層的現(xiàn)象，而較低一側(cè)則會(huì)出現(xiàn)空隙過(guò)大，絲材與底板或已沉積層粘結(jié)程度不足的問(wèn)題。這兩種情況都會(huì)造成Z軸方向的成型精度的降低，容易出現(xiàn)底層的翹曲現(xiàn)象。所以需要選擇平整且與材料黏著性較好的底板，打印前對(duì)平臺(tái)進(jìn)行校高，確保底板保持光滑平整的水平狀態(tài)。3

材料收縮誤差：對(duì)于PEEK、ABS、PLA等一系列FDM設(shè)備常使用的熱塑性材料來(lái)說(shuō)，材料在高溫融化后冷卻的過(guò)程中會(huì)發(fā)生收縮現(xiàn)象。材料的收縮會(huì)同時(shí)發(fā)生在X-Y水平方向及打印層高Z方向。材料的收縮會(huì)導(dǎo)致成型精度的降低。為了減小材料的收縮誤差，可以通過(guò)以下方式進(jìn)行改善：在模型生成階段，對(duì)三維模型進(jìn)行一定的補(bǔ)償，將設(shè)計(jì)尺寸按線(xiàn)材收縮量進(jìn)行補(bǔ)償；通過(guò)分區(qū)掃描法對(duì)打印區(qū)域進(jìn)行劃分，將長(zhǎng)的掃描路線(xiàn)分割為幾段短的掃描路線(xiàn)，降低成型時(shí)的收縮量。4

實(shí)際絲材擠出寬度誤差：絲材經(jīng)過(guò)熔腔融化后，由打印機(jī)噴嘴擠出，擠出的材料是經(jīng)噴嘴與打印底板或已堆積層的擠壓后，形成截面形狀近似矩形的扁絲，絲線(xiàn)的寬度受到層高、擠出速度及掃描速度的綜合影響。但是對(duì)于切片后的打印模型來(lái)說(shuō)，其走線(xiàn)路徑是一維的，路徑寬度默認(rèn)為零。這就造成了在打印模型邊界時(shí)，實(shí)際擠出的絲材邊界會(huì)超出設(shè)計(jì)邊界半個(gè)絲寬，其效果如圖所示。絲材擠出寬度帶來(lái)的誤差可以通過(guò)在CAD模型中進(jìn)行補(bǔ)償以消除誤差。5

打印精度測(cè)試是評(píng)估打印設(shè)備性能的有效手段。通過(guò)測(cè)試，可以了解設(shè)備在不同參數(shù)設(shè)置下的表現(xiàn)，從而找到最佳的打印條件，提高打印效率和質(zhì)量。具體來(lái)說(shuō)，如果3D打印模型的精度不夠，可能會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品尺寸偏差、裝配困難等問(wèn)題，具體打印測(cè)試的步驟如下圖所示：4.3.2打印精度測(cè)試1、建立測(cè)試模型模型使用標(biāo)準(zhǔn)的20mm×20mm中間有掏空?qǐng)A柱的立方體模型，掏空?qǐng)A柱的直徑為10mm。2、輸出為可供打印的STL或其他格式。3、導(dǎo)入切片軟件，此處以Cura切片軟件為例，設(shè)置打印參數(shù)。4、完成打印并取出模型。5、利用卡尺等高精度測(cè)量設(shè)備確認(rèn)是否達(dá)到預(yù)期的尺寸，例如測(cè)量后尺寸顯示19.9mm，則表示該打印機(jī)的打印精度可以控制在0.1mm之內(nèi)。

更進(jìn)階的精度測(cè)試模型，可以更直觀(guān)的測(cè)試打印精度，模型在網(wǎng)上搜測(cè)試模型即可下載很多類(lèi)似的精度測(cè)試模型，模型如下圖所示：①測(cè)試打印微小模型的細(xì)節(jié)情況，②測(cè)試打印縫隙情況，模型里面的圓柱體跟模型實(shí)際上是分開(kāi)的，它們之間是有縫隙的，從0.2mm到0.5mm，打印完成之后，如果圓柱體能夠輕松的進(jìn)出，那就代表打印機(jī)的打印縫隙精度還不錯(cuò)，它的切片也不需要額外的腳本，只需要使用默認(rèn)的打印參數(shù)去打印即可。③測(cè)試?yán)葮虻拇蛴【?，④測(cè)試不同傾斜角度下的打印精度、⑤測(cè)試不同直徑的圓柱打印精度。

4.4模型打印實(shí)戰(zhàn)

本節(jié)以溫度塔模型打印實(shí)例細(xì)致完成一遍打印流程，溫度塔模型打印實(shí)例是一個(gè)很好的學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)，不僅能幫助你熟悉3D打印的流程，還能讓你深入了解打印溫度對(duì)模型質(zhì)量的影響。

（1）打印模塊：本模型使用多個(gè)溫度模塊，單個(gè)溫度模塊如下圖4-17示：右側(cè)數(shù)字表示該模塊對(duì)應(yīng)的打印溫度，中間懸橋及右側(cè)45°傾角結(jié)構(gòu)用于考察過(guò)橋及懸空打印效果。模型高5mm。打印模型由Creo/Solidworks等三維建模軟件進(jìn)行繪制。（2）切片軟件：UltimakerCura軟件（5.3.1版本）。（3）切片步驟，載入需要測(cè)試的對(duì)應(yīng)溫度模塊。本實(shí)例以180℃、185℃、190℃三個(gè)溫度為例。載入三個(gè)溫度模塊后，通過(guò)移動(dòng)功能中X、Y、Z三個(gè)坐標(biāo)值欄進(jìn)行設(shè)置，通過(guò)旋轉(zhuǎn)功能將沒(méi)有不同朝向的打印模塊進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，將三個(gè)溫度模塊由低到高依次堆疊。此步驟需要確保如下設(shè)置：偏好設(shè)置>配置Cura>基本>取消勾選自動(dòng)下降模型到打印平臺(tái)。偏好設(shè)置及操作過(guò)程如下圖所示。（4）設(shè)置打印件基礎(chǔ)參數(shù)：層厚0.2mm，擠出溫度為180℃，平臺(tái)溫度70℃，填充率100%，打印速度50mm/s。（5）設(shè)置不同模塊的打印溫度：如圖所示方法一：點(diǎn)擊擴(kuò)展>后期處理>修改G-code選項(xiàng)。點(diǎn)擊添加一個(gè)腳本>ChangeAtZ腳本。按下圖所示進(jìn)行設(shè)置，Trigger選擇Height（高度），ChangeHeight設(shè)置為第二個(gè)溫度模塊的起始打印高度即5mm，Applyto選擇TargetLayer+SubsequentLayers（從起始層到后續(xù)指定層），勾選ChangeExtruder1Temp，在Extruder1Temp中設(shè)置第二個(gè)溫度模塊指定溫度185℃。重復(fù)此步驟，添加第二個(gè)腳本，設(shè)定第三個(gè)溫度模塊的溫度，ChangeHeight起始高度為10mm，Extruder1Temp溫度為190℃。設(shè)置完畢后點(diǎn)擊保存至磁盤(pán)選項(xiàng)。如圖所示方法二：點(diǎn)擊保存至磁盤(pán)選項(xiàng)，存為G-code代碼格式，使用記事本軟件打開(kāi)代碼文件，找到第一個(gè)溫度模塊的結(jié)束層即：;LAYER:23，在;MESH:NONMESH行后添加如下命令：M104S185，此命令意為從第23層打印結(jié)束后，將噴頭溫度升為185℃；找到第二個(gè)溫度模塊的結(jié)束層即：;LAYER:48，在;MESH:NONMESH行后添加如下命令：M104S190，將第三個(gè)溫度模塊的打印溫度設(shè)為190℃。設(shè)置完畢后保存G-code代碼文件。

（6）選擇保存的文件進(jìn)行打印即可。1.3D打印設(shè)備包括軟件和硬件兩個(gè)部分。軟件部分主要負(fù)責(zé)處理和