增材制造與創(chuàng)新設計：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)新設計：從概念到產(chǎn)品目錄contents32144.4模型打印實戰(zhàn)4.33D打印成型精度控制4.2機械調(diào)試（硬件）4.1切片軟件（軟件）案例導入上一章我們學習了建模技術，接下來到了打印環(huán)節(jié)，打印時給模型分層切片需要使用哪些軟件？打印機是由什么關鍵零部件組成的？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？本章學習目標1、認知目標

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

理解切片軟件在3D打印過程中的作用，能夠分析切片參數(shù)對打印質(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打印機的基本結(jié)構和工作原理，認識FDM機器硬件控制的基本裝置，包括噴頭裝置、溫控裝置、運動裝置、送絲裝置等。2、能力目標

掌握打印模型的精度測試方法，理解成型精度的各種影響因素，學會成型平臺調(diào)平的能力。

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

培養(yǎng)學生的實踐和動手操作能力及科學嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度。4.1切片軟件

Cura和Simplify都是3D打印切片軟件領域的佼佼者，它們各自具備獨特的功能和優(yōu)勢，為用戶提供了高效、高質(zhì)量的3D打印體驗。無論是初學者還是專業(yè)人士，都可以根據(jù)自己的需求選擇適合的切片軟件來完成3D打印任務，其軟件簡介如下表所示。軟件名稱制造公司軟件特色CuraUltimaker公司切片速度快、自動修復模型中的不足、支持準備動態(tài)性模型、通用性和開放性。SimplifyGermanRepRap公司廣泛的兼容性、支持多種類型文件導入、可以對3D模型進行縮放、修復和創(chuàng)建G代碼、多模型打印和雙色打印，且每個模型都可以有獨立的打印參數(shù)。Cura是一款功能強大且易于使用的3D打印軟件，由著名的3D打印機生產(chǎn)商Ultimaker企業(yè)研發(fā)。這款軟件以其強大的功能和用戶友好的界面設計，受到全球數(shù)百萬用戶的信任，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打印領域中備受贊譽的專業(yè)軟件，它以其強大的功能、靈活的定制選項以及出色的兼容性，贏得了眾多3D打印愛好者和專業(yè)人士的青睞。Simplify切片軟件的一個顯著特點是其強大的多模型打印功能。它支持在同一個打印床上打印多個模型，且每個模型都可以擁有獨立的打印參數(shù)設置，具體介紹可去官網(wǎng)查看，其大致操作流程跟Cura軟件類似，如下圖所示。4.1.2Simplify操作方法除了上述的CURA和Simplify軟件外，國外常用的軟件如下圖所示：4.1.3國外常用切片軟件簡介相比傳統(tǒng)工藝，3D打印技術擁有更好的靈活性和更高的效率，但是3D打印的實物制品有時存在質(zhì)量欠佳的情況。3D打印工作過程需要根據(jù)不同的材料，設置不同的工藝參數(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、理想輪廓線的補償量、延遲時間、填充結(jié)構和填充百分比、邊界層數(shù)等。特別是熔融沉積成型3D打印技術，對于相關工藝參數(shù)的設置更為嚴格，工藝參數(shù)的設置將直接影響成品的質(zhì)量、精度和力學性能，3D打印技術在面對不同要求的情況下，改變工藝參數(shù)來達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為設置材料和打印質(zhì)量的窗口；②為設置填充率的窗口；③為設置噴嘴直徑的窗口，其余參數(shù)設置詳見（配套光盤中Simplify軟件操作部分），這里就不過多展示了，下面對需主要調(diào)整的工藝參數(shù)特點做詳細介紹。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)模型進行切片時層與層之間的高度，也是FDM系統(tǒng)在堆積填充實體時每層的厚度。設置時必須盡可能與實際情況相符。通常情況下，它略小于噴頭口的直徑，并且具有多樣化的設置選項。分層厚度較大時，原型表面會有明顯的“臺階”，影響原型的表面質(zhì)量和精度;分層厚度較小時，原型精度會較高，但需要加工的層數(shù)增多，成型時間也就較長。例如，可以設定第一層和其他層的高度不同。這是因為第一層具有特殊性，直接在工作平臺上鋪設可能會引發(fā)問題，而其他層則是在已有材料上進行鋪設。

噴嘴直徑：噴嘴直徑直接影響噴絲的粗細，一般噴絲越細，原型精度越高，但每層的加工路徑會更密更長，成型時間也就越長。工藝過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的速度。噴頭的運動速度實際上是個比較復雜的參數(shù)，噴頭的運動方式有多種，包括噴材料時的速度、僅移動噴嘴而不噴材料時的移動速度，以及在進行飛線操作時的運動速度（即在打印空心區(qū)域，例如制作空心盒子頂部）?？梢赃M行調(diào)整以確保在打印首層時采用與其他層不同的速度（考慮到首層打印的重要性）。設定過高的速度可能導致電機的響應性不足，使得打印的層間粘附不牢固。相反，若速度設定太低，則可能會浪費時間。通常，3D打印機制造商提供了在同時噴材料和移動時的建議速度值。如果使用此值進行打印時發(fā)現(xiàn)層間粘附問題，且噴頭高度適當，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)部會生成相應的算法。在需要調(diào)整其他速度時，需在軟件中進行相應修改。3

擠出速度：擠出速度是指噴絲在送絲機構的作用下，從噴嘴中擠出時的速度。擠出速度及掃描速度共同決定著擠出絲線在底板上的沉積寬度及表面質(zhì)量。如果擠出速度相對掃描速度過小，擠出的絲材不足以形成足夠?qū)挾鹊某练e絲線，沉積絲線會被拉長甚至斷裂，導致與底板或已堆積層的粘結(jié)強度不夠，成型件容易出現(xiàn)翹曲狀態(tài)，且強度較低。同時較低的擠出速度會導致熔腔壓力過低，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大，會導致噴嘴擠出的材料不能及時鋪開，堆積多余的材料在沉積絲線上，影響成型精度甚至造成噴頭的堵塞，同時過高的擠出速度會造成熔池內(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合適的比例區(qū)間內(nèi)。一般來說，打印機選擇合適的擠出速度后，通過調(diào)整掃描速度來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系。45

填充速度：填充速度則是指頭在運動機構的作用下，按輪廓路徑和填充路徑運動時的速度。在保證運動機構運行平穩(wěn)的前提下，填充速度越快，成型時間越短，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行合理匹配，使得噴絲從噴嘴擠出時的體積等于黏結(jié)時的體積(此時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)工作時將噴嘴加熱到的一定溫度。環(huán)境溫度是指系統(tǒng)工作時原型周圍環(huán)境的溫度，通常是指工作室的溫度。噴嘴溫度應在一定的范圍內(nèi)選擇，使擠出的絲呈黏強性流體狀態(tài)，即保持材料黏性系數(shù)在一個適用的范圍內(nèi)。環(huán)境溫度則會影響成型零件的熱應力大小，影響原型的表面質(zhì)量。不同材料有不同的熔點溫度，所以需要根據(jù)材料的特性來調(diào)整噴嘴溫度。7

理想輪廓線的補償量：在增材制造的成型過程中，由于噴絲具有一定的寬度，造成填充輪廓路徑時的實際輪線超出理想輪廓線一些區(qū)域，因此，需要在生成輪廓路徑時對理想輪線進行補償。該補償值稱為理想輪廓線的補償量，它應當是擠出絲寬度的一半。而工藝過程中擠出絲的形狀、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固定值，從而，理想輪廓線的補償量需要根據(jù)實際情況進行設置調(diào)節(jié)，其補償量設置正確與否，直接影響著原型制件尺寸精度和幾何精度。

延遲時間：延遲時間包括出絲延遲時間和斷絲延遲時間。當送絲機構開始送絲時，不會立即出絲，而有一定的滯后，把這段滯后時間稱為出絲延遲時間。同樣當送絲機構停止送絲時，噴嘴也不會立即斷絲，把這段滯后時間稱為斷絲延遲時間。在工藝過程中，需要合理地設置延遲時間參數(shù)，否則會出現(xiàn)拉絲太細、黏結(jié)不牢或未能動結(jié)，甚至斷絲、缺絲的現(xiàn)象;或者出現(xiàn)堆絲、積瘤等現(xiàn)象，嚴重影響原型的質(zhì)量和精度。8

填充結(jié)構和填充百分比：填充結(jié)構和填充百分比是影響3D打印材料力學性能、生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量的重要因素，所以填充結(jié)構的設計是工藝參數(shù)調(diào)整的重要部分，應根據(jù)模型的形狀和結(jié)構合理確定支撐點的密度和位置，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)構的示意圖。在選擇合適的填充結(jié)構時，需要考慮模型結(jié)構的復雜性、應用場景的具體要求、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，使其在垂直方向上具有優(yōu)秀的抗拉壓強度。同心和螺旋結(jié)構類似于樹木的年輪，展現(xiàn)出正交各向異性的特性，直線和折線結(jié)構具有橫觀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)構元素內(nèi)部進行內(nèi)核擴展，賦予模型新的數(shù)據(jù)特征，即在“細胞里添加細胞”，是一種基于晶格的二次幾何擴展方法。這種填充結(jié)構優(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)建實心物體時，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)。這些邊界層被用來包裹填充結(jié)構，類似于包裹蜂窩外殼一樣，以環(huán)繞實心物體形成填充。透過增加外殼層數(shù)，可以增強打印零件的強度。另外，還可以調(diào)整其他參數(shù)，以精確控制3D打印機生成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行后續(xù)工作。101、G代碼是什么：Gcode是一種計算機數(shù)字控制（CNC）語言，通常用于控制3D打印機，是3D打印過程中不可或缺的重要參數(shù)之一，作為控制3D打印設備的語言，其編譯過程決定了產(chǎn)品質(zhì)量和打印速度等方面的表現(xiàn)。在實際應用中，用戶通常需要根據(jù)自己的需求，調(diào)整Gcode參數(shù)，以達到最優(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”命令。一般命令行負責3D打印機中的運動類型。這樣的命令用字母“G”來標識，就像在G命令中一樣。除了控制打印頭的三軸運動外，它們還負責擠出長絲。另一方面，雜項命令指示機器執(zhí)行非幾何任務。在3D打印中，這些任務包括噴嘴和床的加熱命令，風扇控制，以及許多其他任務。其他命令用字母“M”標識。4.1.5切片軟件常用Gcode編碼解析2、G代碼語法：每個G-code命令行都遵循特定的語法。任何給定行的第一個參數(shù)是命令代碼本身。正如我們所看到的，它可以是“G”或“M”代碼類型，后面跟著標識命令的數(shù)字。例如，“G0”對應線性移動命令。接下來是更準確地定義命令的參數(shù)。對于G0線性移動，這些參數(shù)包括最終位置和移動速度，也由大寫字母標識，每個命令都有自己的一組參數(shù)。3、G代碼釋義：（1）G0&G1：線性運動G0和G1命令都執(zhí)行線性移動。按照慣例，G0用于初始和移動等非擠壓運動，而G1包含所有擠壓線性運動。不過，這兩個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，移動過程中要執(zhí)行的擠壓量，以及由設定單位中的進給速率指定的速度。（2）G90&G91：絕對和相對定位G90和G91命令告訴機器如何解釋用于運動的坐標。G90建立的是“絕對定位”，這通常是默認的，而G91建立的是“相對定位”。這兩個命令都不需要任何參數(shù)，設置一個會自動取消另一個。定位的工作方式非常簡單，所以讓我們直接進入。（3）M104，M109，M140，&M190：設定溫度這些是基本的雜項命令，同樣，不涉及任何動作。首先，M104命令設置熱端達到的目標溫度，并保持該溫度，直到另有指示。其中一些參數(shù)包括實際溫度值（S）和需要加熱的打印頭（T）（用于多個擠出設置）。4、3D打印常見的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）：控制打印頭的移動速度。（4）坐標參數(shù)（G0和G1）：控制打印頭的移動位置。（5）擠出量參數(shù)（M83和G1E）：控制材料的擠出量。（6）自動擠出參數(shù)（M107和M106）：控制打印頭周圍的風扇的自動開關。（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）：限制打印頭的移動范圍。（9）自動級調(diào)參數(shù)（G29和M420）：自動調(diào)整打印底座的高度。（10）復位參數(shù)（M502和M501）：將3D打印機的設置恢復到默認值。5、校徽打印G代碼案例展示每個Gcode語句都具有一定的含義，同時為了保證正常運行，這些語句需要按照預定順序進行編譯。在進行編譯時，需要注意以下幾個方面：Gcode語句先后順序。在編譯過程中，Gcode語句的先后順序決定了打印機的操作順序，如果某些語句的順序出現(xiàn)錯誤，就可能導致打印質(zhì)量低下或者完全無法正常運行。參數(shù)設置。在預設參數(shù)和實際打印中，可能需要進行調(diào)整和修改，以適應不同的材料和打印要求。實際運行。對于實際的3D打印，用戶需要在電腦端通過軟件來完成Gcode編譯，將編譯后的Gcode傳輸?shù)酱蛴C上，并通過機器的LCD面板來確認是否一切正常，才能進行打印操作。Gcode編譯是3D打印必備的技術之一，同時也是3D打印用戶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，用戶在編寫Gcode的過程中，要了解這些參數(shù)的含義和作用，并根據(jù)實際情況進行調(diào)整和修改，以達到最好的效果。4.2機器調(diào)試

任何一臺機器都有它們自己的“脾氣”。一臺機器對于一個工人，就如一桿槍對于一個士兵一樣。一個優(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。槍也是機器，雖然這些槍有著同樣的型號，但是細節(jié)都不會一模一樣的。對于追求精度的狙擊手而言，這些小細節(jié)都特別重要。同樣，對于3D打印機這樣追求精度至少應該在零點幾毫米一下的機器而言，也需要操作它的人注意各種細節(jié)問題。

4.2.1機械硬件控制1

噴頭裝置：噴頭裝置一般是由一個步進電機，一個加熱器，一個噴嘴和一個風扇組成。加熱器加熱噴嘴，步進電機的軸轉(zhuǎn)動，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，風扇給步進電機散熱。噴頭是3D打印機中的核心部件之一，負責將熔融的材料（如塑料、金屬等）以極細的絲狀噴射出來。噴嘴的設計和材料對打印質(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。一些高級的3D打印機還配備了多個噴嘴，以實現(xiàn)多材料打印或支持不同的打印技術。噴嘴的維護和更換也是3D打印機使用過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，以確保溫度的準確性和穩(wěn)定性。溫控裝置用于精確控制打印過程中噴嘴和打印平臺的溫度，給整個成型過程提供一個恒溫的環(huán)境，噴嘴需要加熱到材料的熔點以上，以確保材料能夠順利擠出。同時，打印平臺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，容易造成翹曲和開裂，適當?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

運動裝置：運動裝置通常由高精度的步進電機、導軌和滑塊組成，以確保打印頭的定位精度和穩(wěn)定性。運動裝置是3D打印機中用于支撐和移動打印頭的機構，它能夠在X、Y、Z三個方向上精確移動。增材制造不再要求機床進行三軸及三軸以上的聯(lián)動，大大簡化了機床的運動控制，只要能完成二軸聯(lián)動就可以了。XY軸的聯(lián)動掃描完成噴頭對截面輪廓的平面掃描，Z軸則帶動工作臺實現(xiàn)高度方向的進給。運動裝置的移動速度和加速度對打印效率和打印質(zhì)量都有影響，因此需要進行優(yōu)化和調(diào)整。一些高級的3D打印機還采用了閉環(huán)控制系統(tǒng)，以進一步提高運動裝置的定位精度和動態(tài)性能。4

送絲裝置：送絲裝置通常包括一個絲料卷軸和一個進給機構，絲料卷軸用于存儲打印材料，進給機構則負責將材料送入噴嘴。送絲要求平穩(wěn)可靠，以確保打印過程的連續(xù)進行。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。送絲機構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。送絲機裝置的設計需要考慮材料的兼容性和輸送效率，以確保打印過程的穩(wěn)定性和可靠性。一些3D打印機還配備了自動換料系統(tǒng)，可以在打印過程中自動更換材料，提高打印的靈活性和效率。4.2.2打印機成型平臺調(diào)平上節(jié)提到的3D打印機的幾大部分硬件里，需要我們特別注意的就是運動裝置里的成型平臺，在長時間噴頭的沖擊以及取出打印模型時對平臺的碰撞，都會使成型平臺發(fā)生偏移、傾斜等狀況，若成型平臺不平整，模型的打印可能會面臨嚴重問題，導致底部無法順利成型，進而打印失敗。此外，如果成型平臺未經(jīng)調(diào)整，打印時模型底部可能變得不平均，平臺較低一側(cè)的層面可能相對較薄，導致底面傾斜或底部支撐形成不良，底部或底筏可能會呈現(xiàn)明顯的傾斜，對成品的精度產(chǎn)生顯著影響。目前大部分機型都帶有自動調(diào)平的功能，這也導致手動調(diào)平技術恰恰成為我們?nèi)菀缀雎缘膯栴}。在自動調(diào)平失效或者調(diào)平效果仍不理想的情況下，掌握手動調(diào)平技術就尤為重要，本節(jié)就詳細介紹一下如何進行手動調(diào)平。平臺平整度測試步驟如下圖所示：1、加入調(diào)平模型：本模型使用單層互相連接的九個方塊，以Cura切片軟件為例，加入調(diào)平模型步驟：擴展→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：因為每一個打印平臺的大小是不一樣的，所以要調(diào)整這個模型在xy軸上的大小，點擊“等比例縮放”，拖動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的大小。4、完成打印和模型檢查：調(diào)整完畢后關閉“等比例縮放”，把z軸設置回100%，這個模型實際上只有一層，打印完成之后，觀察這9個方塊與打印平臺的黏連的情況，厚度是否均勻，即可判斷出打印平臺的調(diào)平情況。經(jīng)模型測試后，若打印平臺存在不平整的情況，需手動或者打印機自帶的自動調(diào)平功能進行調(diào)平。以太爾時代桌面級打印機為例，進行手動調(diào)平。打印平臺調(diào)平步驟如下圖所示：1、首先啟動要調(diào)平的打印機。2、清理打印平臺和噴嘴尖端的殘留耗材，否則會影響調(diào)平準確性。因為會熱脹冷縮，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)平時也要預熱到打印溫度。3、達到適合預熱溫度后，點擊平臺校準→手動校準操作。4、調(diào)第一個角時，用一張A4紙，按提示操作，將紙張夾于噴嘴與熱床之間。點擊升高或降低平臺，每次點擊平臺Z軸移動0.1mm，一邊點擊一邊抽拉紙張。感受A4紙摩擦力，有一點點摩擦力即可。5、如圖所示共有9個調(diào)平校準點，從左上角的點開始依次按上述要求校準后，點擊確認，即完成校準。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Systems公司為增材制造技術專門開發(fā)，是增材制造行業(yè)數(shù)據(jù)文件的主流文件格式。STL文件通過將原始的CAD三維模型表面進行轉(zhuǎn)換而得到，其特點是由許多三角形面片拼接而成。這就造成了對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）對比如圖所示。1

STL格式通過鑲嵌CAD模型將零件表面近似為三角形網(wǎng)，它簡化了幾何體，但零件會失去分辨率，因為鑲嵌后只有三角形（而不是曲線）表示其輪廓。這會導致弦誤差或缺陷，這是原始CAD表面和鑲嵌模型的相應三角形之間的差異。弦效應引起的主要缺陷是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。一般來說，小尺寸零件和復雜的形狀發(fā)現(xiàn)尺寸過大，尺寸精度較低，而大型零件會出現(xiàn)收縮。這個問題的簡單解決方案是對外表面進行正偏移。（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，需要對模型進行切片處理，生成每一層打印切片的G-code代碼數(shù)據(jù)。在進行切片的過程中，因為切片層厚的存在，在對有傾斜面或曲面的結(jié)構進行切片時，會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近似模擬真實的曲線形狀，這樣會造成邊緣處細節(jié)的丟失，形成“臺階效應”如圖所示。2

在切片過程中，另一個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程中的擺放有關。對于模型輪廓來說，該輪廓成型時的打印路徑所涉及的設備移動方向越少，精度越高。一般情況下，X-Y平面的移動精度高于Z軸方向，打印單絲路徑只沿X或只沿Y軸方向比同時涉及X、Y兩個方向的移動路徑精度更高。同時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度，應選擇何種成型方向？

硬件設備誤差：打印機的綜合打印精度由移動機構的移動精度、零件的尺寸精度及裝配精度綜合決定，其中移動機構的移動精度影響最大。對于常規(guī)FDM打印設備，打印機噴頭及底板的移動由驅(qū)動電機提供動力，噴頭組件及打印平臺安裝在滑軌或光軸上，由同步帶或絲桿傳動，這些部件的精度直接影響移動精度。一般來說，驅(qū)動電機使用步進電機，但是步進電機一般為開環(huán)控制，且在轉(zhuǎn)速過高、負載過大、頻繁啟動時容易產(chǎn)生丟步現(xiàn)象。對于較高的運動精度需求，可以選擇高細分數(shù)的步進電機或采取閉環(huán)控制的伺服電機。除移動機構的運動誤差之外，成型平臺的平整度、水平度也會影響成型精度。成型平臺平整度較低時，底層絲材會出現(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，打印件會出現(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)則會出現(xiàn)空隙過大，絲材與底板或已沉積層粘結(jié)程度不足的問題。這兩種情況都會造成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，打印前對平臺進行校高，確保底板保持光滑平整的水平狀態(tài)。3

材料收縮誤差：對于PEEK、ABS、PLA等一系列FDM設備常使用的熱塑性材料來說，材料在高溫融化后冷卻的過程中會發(fā)生收縮現(xiàn)象。材料的收縮會同時發(fā)生在X-Y水平方向及打印層高Z方向。材料的收縮會導致成型精度的降低。為了減小材料的收縮誤差，可以通過以下方式進行改善：在模型生成階段，對三維模型進行一定的補償，將設計尺寸按線材收縮量進行補償；通過分區(qū)掃描法對打印區(qū)域進行劃分，將長的掃描路線分割為幾段短的掃描路線，降低成型時的收縮量。4

實際絲材擠出寬度誤差：絲材經(jīng)過熔腔融化后，由打印機噴嘴擠出，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，絲線的寬度受到層高、擠出速度及掃描速度的綜合影響。但是對于切片后的打印模型來說，其走線路徑是一維的，路徑寬度默認為零。這就造成了在打印模型邊界時，實際擠出的絲材邊界會超出設計邊界半個絲寬，其效果如圖所示。絲材擠出寬度帶來的誤差可以通過在CAD模型中進行補償以消除誤差。5

打印精度測試是評估打印設備性能的有效手段。通過測試，可以了解設備在不同參數(shù)設置下的表現(xiàn)，從而找到最佳的打印條件，提高打印效率和質(zhì)量。具體來說，如果3D打印模型的精度不夠，可能會導致產(chǎn)品尺寸偏差、裝配困難等問題，具體打印測試的步驟如下圖所示：4.3.2打印精度測試1、建立測試模型模型使用標準的20mm×20mm中間有掏空圓柱的立方體模型，掏空圓柱的直徑為10mm。2、輸出為可供打印的STL或其他格式。3、導入切片軟件，此處以Cura切片軟件為例，設置打印參數(shù)。4、完成打印并取出模型。5、利用卡尺等高精度測量設備確認是否達到預期的尺寸，例如測量后尺寸顯示19.9mm，則表示該打印機的打印精度可以控制在0.1mm之內(nèi)。

更進階的精度測試模型，可以更直觀的測試打印精度，模型在網(wǎng)上搜測試模型即可下載很多類似的精度測試模型，模型如下圖所示：①測試打印微小模型的細節(jié)情況，②測試打印縫隙情況，模型里面的圓柱體跟模型實際上是分開的，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出，那就代表打印機的打印縫隙精度還不錯，它的切片也不需要額外的腳本，只需要使用默認的打印參數(shù)去打印即可。③測試廊橋的打印精度，④測試不同傾斜角度下的打印精度、⑤測試不同直徑的圓柱打印精度。

4.4模型打印實戰(zhàn)

本節(jié)以溫度塔模型打印實例細致完成一遍打印流程，溫度塔模型打印實例是一個很好的學習機會，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模型質(zhì)量的影響。

（1）打印模塊：本模型使用多個溫度模塊，單個溫度模塊如下圖4-17示：右側(cè)數(shù)字表示該模塊對應的打印溫度，中間懸橋及右側(cè)45°傾角結(jié)構用于考察過橋及懸空打印效果。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，載入需要測試的對應溫度模塊。本實例以180℃、185℃、190℃三個溫度為例。載入三個溫度模塊后，通過移動功能中X、Y、Z三個坐標值欄進行設置，通過旋轉(zhuǎn)功能將沒有不同朝向的打印模塊進行旋轉(zhuǎn)，將三個溫度模塊由低到高依次堆疊。此步驟需要確保如下設置：偏好設置>配置Cura>基本>取消勾選自動下降模型到打印平臺。偏好設置及操作過程如下圖所示。（4）設置打印件基礎參數(shù)：層厚0.2mm，擠出溫度為180℃，平臺溫度70℃，填充率100%，打印速度50mm/s。（5）設置不同模塊的打印溫度：如圖所示方法一：點擊擴展>后期處理>修改G-code選項。點擊添加一個腳本>ChangeAtZ腳本。按下圖所示進行設置，Trigger選擇Height（高度），ChangeHeight設置為第二個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中設置第二個溫度模塊指定溫度185℃。重復此步驟，添加第二個腳本，設定第三個溫度模塊的溫度，ChangeHeight起始高度為10mm，Extruder1Temp溫度為190℃。設置完畢后點擊保存至磁盤選項。如圖所示方法二：點擊保存至磁盤選項，存為G-code代碼格式，使用記事本軟件打開代碼文件，找到第一個溫度模塊的結(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，將第三個溫度模塊的打印溫度設為190℃。設置完畢后保存G-code代碼文件。

（6）選擇保存的文件進行打印即可。1.3D打印設備包括軟件和硬件兩個部分。軟件部分主要負責處理和