熔融沉积式3D打印路径优化算法研究

周名侦 黄健霏 余金荣

摘 要：本文根据需要打印的实体工件，建立模型，并对模型的主要工艺参数进行分析，推导出来层高、打印速度和打印温度等主要打印工艺的数值。通过计算机与3D打印机建立熔融沉积的实验平台，规划打印路径，优化熔融沉积打印机参数方案，不断实验得出最优组合，并验证了参数分析和优化结果的准确性。

关键词：熔融沉积；3D打印；优化算法

中图分类号：TH162 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）05-0053-02

0 前言

现在3D打印作为新型数字化制造技术已经有了越来越广泛的应用，其相当于一台三轴的数控加工机床，但是和传统的加工方式不同，其是计算机控制下进行逐层堆积进而获得实体产品。现在3D打印技术发展迅速，桌面级的3D打印机已经逐渐普及了起来，提高打印精度势在必行。相同硬件的熔融堆积3D打印机在不同参数设置情况下会获得到截然不同的精度。文章对熔融沉积3D打印机工艺参数进行分析建模并通过正交试验来获得参数对精度影响的最优组合方式。

1 熔融沉积3D打印机工作原理

熔融沉积成型工艺使用的材料是热塑性材料，熔点在100到300摄氏度之间，一般是PLA或者尼龙等，材料通过送料机给进，之后在喷头处受热融化并挤出，喷头沿着工件的外截面轮廓和内部填充轨迹进行运动的同时材料发生固化并和已经有的材料粘结堆积，获得实体工件。熔融沉积打印技术和其他3D打印技术相比较使用的材料是工业级热塑料，获得到的产品具有良好的耐热性和耐腐蚀性，且内部的机械应力显著较小。熔融沉积3D打印获得到的产品有着较多的种类和较强的成型强度，精度也很高，现在一半使用在概念模型和功能原型甚至是零部件生产过程中。

2 熔融沉积3D打印机参数优化试验

对熔融沉积3D打印机进行试验设计，运用正交实验法来获得较好的参数，和计算得到参数进行比较验证。

2.1 实验模型建立

对试验模型进行选择建立的时候要遵循以下原则：试验目的在于验证3D打印机优化情形会对产品精度产生的影响，所需要使用pro软件来制造模型，设计出来同时具有平面斜面和曲面的模型，对其进行建模分析并進行精度测量。

2.2 工艺参数分析

根据试验平台当中上位机切片软件的分析结果以及熔融沉积3D打印机的工艺参数进行分析，得到影响加工精度的主要影响参数为层高、打印速度和打印温度。

2.2.1 层高

层高的几何意义在于对STL文件进行切片的时候的间距数值，工艺意义是熔融沉积3D打印机喷头走过一层的厚度。熔融沉积工艺进行打印的过程中经常会出现层和层之间有着不连续现象，这一情况一般称为阶梯现象。层数越高的情况下就会有着越小的阶梯现象，这样的话会占用大量的打印时间，但是表面精度会明显改善。层高参数和喷口的内径有着直接关系，同时也会受到机械结构等因素的影响。实验室用的3D打印机是STD公司的第一代机器，喷口大小为0.5毫米，也就是说层高限制为0.5毫米以下的时候才能确保层与层之间良好粘结。

2.2.2 打印速度

打印速度的改变会对加工效率产生直接的影响，在喷头挤丝量和挤丝直径一定的情况下也会影响到熔丝在加工表面上的精度。实际丝线基础的长度和理论长度之间的夹角正切值等于直径比上挤出速度和实践的乘积，所以夹角正切值最好是趋近于零，否则就会导致超出了理论长度的丝线被喷头挤压进而位移，导致轮廓出现十分明显的误差。对于打印速度进行反复调整，每次打印长度100毫米，对起始段和终端进行测量，最后得到高度差最小的打印速度为35毫米每秒左右。

2.2.3 打印温度

当喷头温度过低的时候可能会出现材料不能粘结到热床上的问题，还可能会出现层间剥离的问题，与此同时经常会伴随着喷嘴堵塞的问题，不仅仅带来精度较低的问题，还会降低产品的安全系数。喷头温度过高的时候就会导致材料挤出的时候基本是液态，这就会导致材料难以控制，成型过程就会产生形变，最后获得的产品精度很低。根据PLA温度性能指标进行计算，得到最适合打印的温度在175到220摄氏度之间。

3 填充路径规划

填充路径规划是一个合理的规划，填充了层间夹缝闭合面积的填充顺序，在本文的交叉处，有一个内轮廓的平行扫描，并对影响平行扫描质量和效率的主要因素的扫描方法进行了优化。扫描线角度、子区域组合、区域级打印顺序的优化，决定了三维打印的效率和精度。

3.1 扫描线角度的最佳选取

从选择的角度来看，这条线是非常重要的，一般都是平行的直线，而他的路径，在每一条线扫描打印头运动后，直到不惊吓，扫描扫描打印线，在的打印过程中的起点和打印头，反复启动，你就必须不断出现，不能在交通中，这样容易变形等情况下，为了减少这些问题，扫描时，有必要绕过拐角，平行减少入射，但主要是对拐角处的视点和线进行扫描。有一种关系。如图1所示。

3.2 扫描区域的合并

扫描线角度确定后，扫描线与切片轮廓之间形成一些封闭区域。每个区域由一系列扫描线组成。每个区域包含四个关键点，即第一扫描线的起止点和最后一扫描线的起止点。在3D打印过程中，每个区域都需要逐个扫描。扫描策略是先扫描相邻区域，然后扫描非相邻区域和非相邻区域。印刷喷头需要进行空行程运动，降低了效率。因此，在打印时，可以合并连续打印的相邻区域。合并区域可以一次扫描，连续打印没有空行。成运动。本文采用四点法对相邻子区域进行合并。四点法：如果一个子区域中最后一条扫描线的端点是另一个子区域中第一条扫描线的两端之一，则可以将该端点作为另一个子区域的起点，合并两个子区域。如图2所示。

3.3 其他实验

除头尾扫描外，还可以进行角部沉积实验。角点数量越多，扫描区域越复杂，精度越低。同时，电机会在转角处反复加速、减速或停止，这将导致部分打印时间显著增加，因此实际的打印过程中尽量减少转角的数量，这一过程对精度具有重要意义。扫描线段和横截面之间有相同数量的拐点。根据扫描线段的角度，会有不同的拐点。假设扫描线宽度为0.4mm，则两个截面轮廓选择扫描线角度优势。得到了拐点数目与扫描线角度的一定关系。扫描线角度为0度时，拐点数目最小，扫描线角度为80度时，拐点古树最大。为了达到应力分散的效果，必须保证相邻层之间的扫描线相互垂直，因此每两层需要重新选择扫描线的角度。本文所提出的算法适用于面积填充扫描法，在实际使用过程中也可采用内支撑空心扫描法。在确定扫描线段的角度后，扫描线与切片轮廓之间形成闭合区域。该区域是通过来回扫描线段获得的。该区域有四个关键点，即第一扫描线和最后一扫描线的起点和终点。封闭环起始点确定确定起始点的原则是每个封闭环仅有一个起始点且各封闭环的起始点之间的距离最小，本文采用一种改进的近邻法确定起始点。假设截面轮廓包含n个封闭环，Loop={Loop1，Loop2，…，Loopn}，轮廓中所有封闭环由m个顶点构成，顶点集为P={P1，P2，…，Pn}，任一封闭环的顶点集为Pi={Pi1，Pi2，…，Pikn}，其中m=k1+k2+…+kn，确定起始点的具体步骤如下：（1）取顶点集P中第1个顶点P11作为封闭环P1的起始点，令S1=P11，并将P1从P中去除。（2）依次求解顶点S1到P中各点的距离，将距离顶点S1最近的顶点Pij（1≤j≤ki）取出，令S2=Pij，并将Pi从P中去除。（3）按照步骤（2）的思路，依次求解顶点Si到P中各点的距离，找到距离顶点Si最近的顶点作为Si+1，依次遍历所有的未访问封闭环顶点集，直到在P中的最后1个封闭环中找到Sn，依次求出S3，S4，…，Sn，可得起始点集C1={S1，S2，…，Sn}。（4）依次求解C1中相邻两点间的距离，并求和d1=S1S2+S2S3+…+Sn-1Sn+SnS1。（5）依次选取P中的顶点作为相对应封闭环的起始点，按照步骤（1）～步骤（4）的思路，可依次求解出m个起始点集Cr，并求出相对应的dr，其中，1≤r≤m。

4 结语

熔融沉积3D打印平台在实验过程中可以看出层高和打印速度以及温度会对打印的精度有着十分明显的影响，经过正交试验对其主次顺序和组合方式进行分析确认。首先初始化熔融沉积3D打印机和PC实验平台，随后建立模型来进行正交试验，使用极差分析法来获得最优组合参数，和先比交叉的组合参数进行对比来证明优化结果的可行性。实验表明正交实验法蝴蝶刀的分析结果和工艺参数分析的结果是相同的，确实改善了打印的精度，能够对工艺的执行产生良好的指导意义。

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