3D打印钢铁侠的FDM技术探讨
时间：2021-01-29 08:01:21 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
摘 要：自主组装完成的一款3D打印机，采用Arduino作为核心板调试代码，控制步进电机完成FDM技术打印任务，还原了电影中人物造型，将钢铁侠成功塑形。分析了FDM技术遇到的问题和原因，并进一步完善作品的制作。
关键词：3D打印技术；FDM技术；模型
中图分类号：TP334 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）36-0140-02
Abstract： A self-assembled 3D printer， using Arduino as the core board debugging code， controls the stepping motor to complete the FDM printing task， restores the characters in the film， and builds the character like the iron man successfully. This paper analyzes the problems and causes of FDM technology， and further improves the making of the works.
Keywords： 3D printing technology； FDM technology； model
1 3D技术简介
3D[1]技术是依据三维CAD数据将材料连接制作物体的过程，相对于减材制造，它是逐层累加过程。在制造过程中，人们可以发挥想象力，使得工业装备逐步走向生活，使得创造更加容易，让过去繁重和枯燥的劳动变成创新生活的乐趣。3D打印[2]在个人消费品领域及个性化创意的应用以及数量较大的生活用品制造方面将有良好的发展前景。目前主要局限于材料试用范围少，制作精度比较低等问题，因此3D打印与人们的生活结合还比较薄弱，科学技术的普及还不够充分。
3D打印的“制造+服务”模式将会改变人类现有的生活方式，实现物质个性化的精神层面需求，越来越多的家庭会应用3D打印机。特别是工业4.0时代的到来，可能会使人们获取商品的方式产生变化；消费者可以在“淘宝”商城里购买到设计点子或者3D产品数据，可以在平台商下单，经过3D打印制作、验证、运作等流程，转化成汽车、医学、电子电器、日用品等实体产品[4]。
2 FDM技术的解决方案
本作品是采用Arduino控制板组装调试3D打印机，运行速度快，稳定性好，细腻度高；掌握软件建模技术：运用3D Studio MAX4创建三维实体模型，并研究Cura软件的切片技术；打印材料选用生物可降解材料，安全环保；将3D技术与Arduino技术结合，实现软硬件组装运行，完成《钢铁侠》角色的实体模型。
FDM（Fused Deposition Modeling，熔融沉积成型）技术方法采用电加热融化丝状材料，由三轴控制系统移动熔丝材料，逐层堆积成形三维实体。材料通常为低熔点塑料，先制成丝状，再通过送丝机构，送进喷头，在喷头内被加热熔化；喷头在电路板的控制下沿零件截面轮廓和填充轨迹运动，将熔化的材料挤出，材料迅速固化，并与周围材料粘接，通过层层堆积成形，最终完成零件制造。初始零件表面较为粗糙，需要配合抛光技术处理。塑料材料，熔融成形后零件强度好，系统成本低。最大不足是成形材料种类少，精度略低。
FDM技术使用的热塑型材料，是所有3D打印技术里最廉价的材料，可以使完成3D打印产品。Arduino是个完全开源的平台，里头包涵了非常多的库，可以自由的组合使用。设计图纸和开源库，加上采购的铝型材管，热床，热敏电阻，光丝杆等零件，组装出了这台打印机。将程序烧入主控板，给3D模型切片后就可以打出各种模型，制作了全新的影视特效人物3D模型[3]——钢铁侠。模型打印中会遇到很多问题，有残缺，翘边，表面有疙瘩，厚度太薄，导致打印出来模型强度不够，打印机的因为零件損耗导致异响，平台涂胶过少导致模型被喷嘴刮倒等各种问题。在不断的调试打印机，最终项目完成质量较好的，比较完美的钢铁侠人物原型。30年前，Stratasys的创始人申请并获得了FDM（Fused Deposition Modeling，熔融沉积成型）技术专利，迄今为止这仍是3D打印最核心的技术。但是FDM机型在实际应用中会遇到以下的打印问题，并有待解决。
2.1 翘边
当模型打到上层部分时，底部因为与平台附着差，冷热不均，一些边角就会出现翘边，从而影响模型的精度与美观。模型底部一个或多个角翘起，就无法水平附着于打印平台。会导致顶部结构出现横向裂痕。翘边是常见问题，往往发生于第一层塑料因冷却而收缩时。模型边缘因此而卷起。使用加热打印床，使塑料保持温度，不至于固化——称为“玻璃化转变温度”。第一层材料可平坦地附着于打印床。在打印床上均匀地涂上薄薄一层胶水，增加第一层材料的附着力。确保打印床完美水平。可能需要增加垫子结构，来加固打印平台的粘着力。即使打印机有加热床，还是建议用胶水，并且调平打印床。
2.2 大象腿
大象腿即模型底部（第一层）设计的尺寸宽。为了避免翘边，用户常常会压扁第一层材料。这容易使底部突出-因此成为“大象腿”。也可能随着模型重量的增加而对第一层材料形成挤压，如果此时底层还未固化（尤其是打印机有加热床的情况下），就可能形成此问题。要想同时避免翘边和大象腿，有点难。为了尽可能减少模型底部的突起，建议调平打印床，打印喷头略微远离打印床（但不要太远，否则模型就无法粘附了）。此外，略微降低打印床温度。如果是自己设计的3D模型，在模型的底部挖个小倒角。从5毫米和45度的倒角开始试验，直至最理想的效果。
2.3 第一层的打印问题
第一层材料粘附不理想，因此有些结构出现了松散。底部出现了不需要的材料线。这是打印床没有调平的典型案例。如果喷嘴离打印床太远，底面就会出现不需要的线条，或者第一层无法粘附。如果喷嘴靠得太近，就会结块。此外，打印床要尽可能干净。打印平台的指纹印可能会影响第一层的粘附。使用打印机软件，重新调平打印平台。清理打印平台上的指纹印。打印前涂上薄薄一层胶水。
