3D打印加工实验

一、实验目的

1.了解FDM 3D打印工艺的成形原理；

2。熟悉FDM 3D打印机的机械结构及操作方法； 3.学习3D打印软件的使用方法。

二、实验内容

1.选择适合打印的三维模型，利用FDM 3D打印机完成加工; 2.测量打印件的尺寸精度;

3.分析影响打印精度及打印效率的关键因素.

三、实验设备

1.UP 3D打印机

2。去支撑用工具钳、工具

四、实验原理

FDM(Fused Deposition Modeling)中文全称为熔融沉积成型3D打印技术，使用丝状材料(塑料、树脂、低熔点金属）为原料，利用电加热方式将丝材加热至略高于熔化温度,在计算机的控制下，喷头作x—y平面运动，将熔融的材料涂覆在工作台上，冷却后形成工件的一层截面。一层成形后,喷头上移一层高度，随后开始加工下一层，由此逐层堆积形成三维工件，打印原理如图6—1所示.

图6—1 FDM三维打印技术原理图

在打印过程中，线材通过打印喷头挤出的瞬间将会快速凝固，根据材料的不同以及模型设计温度的不同，打印头的温度也不尽相同。为了防止打印零件出现翘曲变形等问题，一般还需在喷头温度升温后对打印平台进行预热处理，以此降低零件加工过程中的温度梯度。为

便于零件加工完成后从打印平台上剥离，一般需在打印平台上预先置放隔层，喷头挤出的线材直接在隔层上成形。

FDM 3D打印技术的优点是材料利用率高、材料成本低、可选材料种类多、工艺简洁.缺点是精度较低、复杂构件不易制造、零件悬垂区域需加支撑、表面质量较差。该工艺适用于产品的概念建模及功能测试，适合中等复杂程度的中小原型，不适合制造大型零件.

五、实验步骤

1.熟悉打印控制软件的操作界面及主要功能模块；

2.熟悉 UP 3D打印机的主要结构及操作方法，通过USB数据线连接计算机和打印机,连接电源适配器给打印机供电，如图6-2所示：

图6—2 打印机线路连接

3。在控制软件中选择端口并连接打印机，将指导教师指定的标准零件模型、以及任选的个性化模型导入控制软件;

4.选择控制软件中的“位置\"按钮，对导入模型执行平移、缩放操作，随后将模型对中，如图6-3所示；

图6-3 模型导入及对中

5.对模型执行切片操作，根据需要调整切片参数;

6。点击“运行任务”按钮，等打印机喷头、底板温度加热到设置温度后，打印机将开始打印，记录打印开始时间；

7。观察打印过程，分析影响打印效率的关键因素;

8.记录打印结束时间，模型打印完成后,待喷头及打印平台冷却后,再取模型；

9。从打印平台上取出附着模型的打印底板(即是带规则网点的塑料板。手握铲刀(铲刀首次使用需要开封），将刀口放在模型与打印底板之间，用力慢慢铲动，来回撬松模型，如图6-4所示；

图6-4 取出模型

10。零件打印结束后，断开打印机电源适配器，清洁打印喷头及打印平台,关闭计算机。

六、实验数据记录

模型 数据 喷头预热时间（min） 平台预热时间（min） 零件尺寸 (长◊宽 ◊高,mm) 切层厚度(mm) 切层数量 填充路径类型 打印材料 15mm*15mm*11mm 0。18mm 60 网格填充 ABS 0.18mm 12 网格填充 ABS 标准零件 自选零件 4。67 4.67 3。17 3。17 打印时间(min) 实际打印尺寸 (长◊宽 ◊高，mm) 3.35 15mm*15mm*11.1mm 长度方向 IT9 12。65 尺寸精度(mm） 宽度 高度 IT9 IT9 七、实验讨论题 1。FDM三维打印技术的成形原理？

答：快速成型技术是对零件的三维CAD 实体模型，按照一定的厚度进行分层切片处理,生成二维的截面信息，然后根据每一层的截面信息，利用不同的方法生成截面的形状。这一过程反复进行，各截面层层叠加，最终形成三维实体。分层的厚度可以相等，也可以不等。分层越薄，生成的零件精度越高,采用不等厚度分层的目的在于加快成型速度。

2.分析影响FDM 3D打印精度的关键因素？

答：3D打印FDM技术成形精度包括尺寸误差、几何误差及表面粗糙度。在FDM的3D打印机成型过程中 ,影响它精度的因素有如下几个方面:

(1） 材料收缩。材料在 FDM工艺过程中经过固体 2 液体 2 固体 2次相变。当材料凝固成形时 ，由材料收缩而产生的应力应变将影响成形件精度.若成形过程中的材料确定 ,该种误差可通过在目前的数据处理软件中 ,设定 x, y， z这 3个方向上的“ 收缩补偿因子 ” 进行尺寸补偿来消除.

(2） 喷头温度和成形室温度。喷头温度决定了材料的粘结性能、 堆积性能、 丝材流量以及挤出丝宽度 ，既不可太低 ,使材料粘度加大 ,挤丝速度变慢 ，也不可太高 ,使材料偏向于液态 ，粘性系数变小 ，流动性强 ，挤出过快 ,无法形成可精确控制的丝.喷头温度的设定应根据丝材的性质在一定范围内选择 ，以保证挤出的丝呈熔融流动状态。成形室的温度会影响到成形件的热应力大小 ,温度过高 ，虽然有助于减少热应力 ，但零件表面易起皱；而温度太低，从喷嘴挤出的丝骤冷将使成形件热应力增加 ,易引起零件翘曲变形.实验证明 ,为了顺利成形 ,应该把成形室的温度设定为比挤出丝的温度低 1 ℃～2 ℃.本实验将成形室温度设定为 55 ℃.

（3） 分层厚度.是指在成形过程中每层切片截面的厚度.由于每层有一定厚度 ,会在成形后的实体表面产生台阶的现象 ,将直接影响成形后实体的尺寸误差和表面粗糙度。对 FDM

工艺 ,这是一种原理性误差 ，要完全消除台阶是不可能的,只可能通过设定较小的分层厚度来减少台阶效应.

(4） 补偿量。是指零件实际加工轮廓线与理想轮廓线之间的距离值。该值的设定与挤出丝的直径有关 ，可以在分层切片数据处理软件直接设定。

（5） 挤出速度与填充速度及其交互作用。在与填充速度合理匹配范围内 ，随着挤出速度增大 ，挤出丝的截面宽度逐渐增加 ,当挤出速度增大到一定值挤出的丝粘附于喷嘴外圆锥面 ,就不能正常加工填充速度比挤出速度快 ，则材料填充不足 ，出现断丝现象 ,难以成形。相反 ，填充速度比挤出速度慢 ,熔丝堆积在喷头上 ,使成形面材料分布不均匀 ，表面会有疙瘩 ，影响造型质量。因此 ,填充速度与挤出速度之间应在一个合理的范围内匹配，应满足vj / vt = ［ a1 , a2 ] （1式中： a1 为出现断丝现象的临界值； a2 为出现粘附现象的临界值; v为挤出速度； v 为填充速度。

（6) 成形时间。每层的成形时间与填充速度该层的面积大小及形状的复杂度有关。若层面积小 ，形状简单 ,填充速度快 ，则该层成形的时间就短相反 ,时间就长。在加工时 ，控制好每层的成形时间 ，才能获得精度较高的成形件.

(7） 开启和关闭延时。即丝材堆积的起停效应 ，主要是以丝材堆积截面的变化体现出来 ，这种堆积截面的不一致容易造成丝材堆积平面的不平整出现空洞等质量缺陷。而“拉丝 ” 现象会影响到原型的表面光顺和填充层层内丝材堆积面的平整性它的根本解决需要出丝速度能够实时地藕合跟踪扫描速度 ,针对扫描速度的变化作出相应的调整 ,以使丝材堆积平稳可靠 ,提高丝材的堆积质量.

3.分析影响FDM 3D打印效率的关键因素？

答:即打印方向、打印速度、退火温度和退火时间。

(1) 产品最佳的打印方向是水平放置的，同时水平放置能够使得最后的打印产品抗拉力更强。

（2) 在打印速度方面,可以从一般实验室的45毫米/秒提高到90毫米/秒，3D打印速度提升不少。

(3） 打印完成后的物品放入工业炉中进行退火处理的最佳时间是30分钟，温度为140摄氏度.需要注意的是，PLA线材最初的挤出温度是190摄氏度.