桌面式FDM型3D打印机常见问题综述
岳桂林 蔡小建 顾焱
摘?要：本文分析了工程训练课中3D打印机常见问题出现的原因，对桌面式FDM型3D打印机关键结构逐一研究探讨，结合文献及实践经验给出了行之有效的解决方案，对于设备的优化以及工程训练课教学质量的提高具有重要意义。
关键词：FDM;3D打印;结构优化
Abstract：This paper analyzes the causes of common problems based on 3D printer in engineering training course，studies and discusses the key structures of desktop FDM 3D printer one by one，provides effective solutions based on literature and practical experience，which is of great significance for the optimization of the equipment and the improvement of teaching quality in engineering training course。
Key words：FDM;3D printing;structural optimization
快速成型课程是高校工程训练体系中的重要一环，对于学生综合能力的提高以及创新意识的培养具有不可替代的作用。目前应用较多的快速成型技术主要有立体光固化成型技术（SLA）、分层实体制造成型技术（LOM）、激光选择性烧结成型技术（SLS）、三维粉末粘结技术（3DP）以及熔融挤压堆积成型技术（Fused Deposition Modeling，FDM）。目前江苏海洋大学快速成型课程主要采用的是熔融沉积成型技术，即将丝状材料加热至熔融状态，从喷嘴挤出沿然后依据模型切片结果沿特定路径逐层成型的技术。该技术研发成本低，材料的利用率高，成型工件表面质量好，可以快速构建零件。设备为桌面式3D打印机，具有轻量化、易操作、安全性高以及学生上手快等优点。但是在打印过程中，该设备经常容易出现喷头堵塞、翘边、工件表面粗糙等问题，严重影响了课堂效率以及学生学习积极性，因此，对课程中该设备出现频率较高的问题进行分析归纳，探讨行之有效的解决方案具有重要的现实意义。
1 问题分析
FDM打印技术是通过热熔机构将丝状材料加热，送丝机构将丝材送至喷头，喷头沿零件截面轮廓和填充轨迹运动，同时将熔融状态的材料按照CAD分层数据控制的扫描路径挤出并沉积在指定的位置凝固，逐层堆积成型的技术[1]。其示意图如左图所示。其主要结构包括控制主板、送丝机构、热熔机构、喷头、工作平台、传动机构和散热结构几个方面。由于在打印过程中鲜少出现控制或传动方面的问题，因此，本文结合工程训练课中出现频率较高的问题，着重从送丝机构、热熔机构、喷头和打印平台四个方面探讨了该3D打印机常出现的问题以及其症结所在。
1.1 送丝机构
其主要负责丝材的进退。在本设备中，送丝机构如左图中虚线方框所示，步进电机带动左侧主动轮旋转，右侧从动轮辅助丝材从中间挤出。由于两侧转轮之间的空隙而不可调节，因此对丝材的直径要求较高，当丝材直径发生变化时，会在该缝隙处卡死，影响送丝，故对材料的通用性低，对丝材质量要求较高。同时，当打印机使用时间较长时，从动轮会发生磨耗，从而导致中间缝隙增加以致进丝时打滑或者是丝材在轮间晃动，喷嘴处进料量不稳定，从而导致打印模型表面精度降低。因此很多学者优化3D打印设备时会对其送丝机构进行改造。例如考虑到对于丝材而言，主动轮和从动轮通过挤压丝材产生摩擦力来实现送丝，那在从动轮的固定侧增加弹簧夹紧机构，通过弹簧的变化来实现对丝材压力的调整，首先可以有效保证从动轮对丝材的夹紧以防止出现打滑现象，其次可以提高该设备对不同直径材料的通用性。有些学者从主动轮的设计着手，将主动轮的直线轮更改为V型轮，从而实现主动轮对丝材的压力控制，提高送丝驱动力的稳定性[2]。
1.2 热熔机构
热熔机构主要负责丝材的加热。热熔机构由加热棒、测温电偶和加热块组成。加热棒充当热源角色，测温电偶为反馈调控角色，加热块起传热作用。加热温度主要影响丝材挤出过程中的粘度。温度过低，会导致挤出速度变慢，导致喷头挤出压力增加，甚至堵塞喷头;若温度过高，丝材过软，不利于挤出，甚至导致丝材碳化，依然容易引起喷头堵塞。因此热熔机构中需要注意的是根据不同丝材进行合适的温度设定。对于加热块材质的选择也在工程训练课中，均采用低熔点树脂，一般为ABS和PLA材料等低熔点单一聚合物。其中ABS材料的性能较为稳定，超过240℃时容易分解，一般设置的加热温度控制在230℃左右。但PLA材料熔点较低，高温熔融时易附着，容易在喷头处残留，加热温度设置为200℃左右。热熔机构在打印过程中不易损坏，产生问题主要是由于加热温度设置与丝材不匹配造成，因此针对不同材料，应该合理设置加热温度。加热块能够有效传递热量也是保证热熔机构正常工作的重要一環。为了保证热传导效果，加热块必须与喷嘴的外表面充分接触。在本训练课的设备中，因为喷嘴的外表面为圆柱面，加热块为正方体，中间开圆孔，喷头直接插入，从而与加热块连接在一起，但随着使用时间增加，由于喷头热胀冷缩以及外表面氧化的作用，加热块与喷头之间的缝隙会增加，从而无法有效实现热量的传导，影响丝材的熔化。对于该结构部分设备尝试将加热块与热熔喷头以螺纹连接的方式连接在一起，以保证热量的有效传递。也有一些产品通过利用在加热块外侧增加锁紧结构，以保证与喷嘴外层的无间隔接触，导热过程稳定[3]。
1.3 喷头
喷头负责将热熔结构加热的丝材顺滑挤出至打印平台，从而实现堆积成型。其中喷嘴直径大小对模型成型精度有重要影响，喷嘴直径越小，挤出的丝材越细，成型时精度越高。但喷嘴直接过小时，喷射出来的熔融丝材过细，打印过程中易产生断丝且易堵塞。但喷嘴直径过大，打印工件表面粗糙且易变形，无法保证表面精度。因此，喷嘴直径应根据工件需求选择合理的大小。部分研究学者还对喷嘴的结构进行优化，例如喷嘴前端延长，增大熔融材料向下运动时的阻力，保障丝材顺利挤出的同时改善拉丝现象[4]。有的学者将喷头改为螺旋挤压结构，通过理论计算以及实验证明了螺旋挤压喷头对于出丝速度以及稳定性有较大提高，打印机的工作效率可以提高5-10倍。有的学者对喷头的材料进行改进，对于喷头不仅要求较高的导热性能同时对保温性能与抗氧化性能也有一定要求，通过在喷头外侧涂抹保温层，以减少喷头的散热和氧化。由于一般打印材料为高聚物，加热温度较高时易在喷嘴部位残留累积，当打印机使用较长时间后，喷嘴部位易积碳堵塞，因此需要定期对其进行清理，以保障喷嘴的通畅。
1.4 打印平台
打印平台用于X-Y方向驱动以及承接喷头挤出的材料在其上面的堆积成型。部分同学打印时会出现工件从打印平台脱离的现象，也就是翘边，导致后续无法正常打印。出现这一问题的主要原因有三个：（1）打印时喷头与平台之间距离过大，导致打印第一层时，熔融的材料无法更好地与平台结合再一起，此时需手动调整打印机喷嘴位置以及打印平台的水平调节螺母，缩短喷头与平台的距离，确保距离合适，从而提高工件基底与平台之间的结合能力，但不可距离过小，距离过小会导致材料在打印平台过度堆积，工件底部粗糙且难以从打印平台剥离。（2）打印平台温度过低。当外界温度较低或者是打印平台温度设置不合理时，会导致喷头挤出的熔融液体接触到打印平台时冷却过快，从而导致黏结力不够，后期模型打印过程中，随着打印层数的增加，材料固化程度增加，由于冷却收缩作用导致收缩力量加大，从而使得与打印平台结合力本就薄弱的工件从打印平台剥离。此时需提高打印平台温度，同时保证打印室温度不可过低。（3）打印平台使用时间过久，表面黏结力度不够，此时可以在打印平台粘贴耐高温贴纸从而提高工件与打印平台的黏结力度。
2 结语与展望
本文详细分析总结了目前快速成型课程中3D打印设备出现频率较高的问题，同时结合实践经验参阅文献给予了一定的整改意见，对于该课程教学质量的提高起到积极作用。但是随着科技的发展，3D打印技术也日益突飞猛进，无论在日常生活还是科研工作等方面都与人们联系越来越密切，学生对于快速成型技术的需求也日新月异，因此，目前的桌面式FDM型3D打印机已经不能满足学生工程训练课的需求，光固化型3D打印机、SLS型3D打印机等不同成型方式的打印技术亦应在该课程中不断引进，优化教学内容，切实提高學生的创新能力和实践能力。
参考文献：
[1]任汪洋.基于FDM成型工艺的桌面级3D打印机优化设计.合肥：合肥工业大学硕士，2017.
[2]杨志.FDM 3D打印机关键机构的改进及其试验研究.苏州：苏州大学硕士，2018.
[3]张洋.基于FDM技术的3D打印机机械结构设计及控制系统研究.长春：长春工业大学硕士，2017.
[4]闵畅，李锦，沈新明，刘佳丽，刘洋.FDM型3D打印机喷头优化设计.黑龙江科学，2017，8（21）：10-15.
基金项目：省级大学生创新训练项目“3D打印机的改装及性能优化”（201811641115X）
作者简介：岳桂林（1987—），女，汉族，河南新乡人，硕士研究生，讲师，主要研究方向：材料加工。
