增材制造技術基礎走進3D打印第六章得心應手——增材制造設備的操作增材制造技術基礎走進3D打印第六章得心應手——增材制造設備1【學習目標】掌握增材制造的一般工作流程。了解典型熔融沉積類、光固化類、粉末燒結與熔融類3D打印設備的操作流程。了解幾類主要3D打印成型設備操作的要點。【學習目標】2不同類型的3D打印成型原理有所不同，因此這些設備的具體操作方法也不盡相同。但即使是不同類型的3D打印機，我們在使用時仍然會大體遵循一個基本的操作流程，這一流程如圖所示。一、增材制造工作流程不同類型的3D打印成型原理有所不同，因此這些設備的具體操作方33D打印機如同神筆馬良手中的那只“神筆”，可以化虛為實，但是，再神的神筆也離不開馬良這位執筆人。要用神筆就要讓神筆知道自己要畫什么，要用3D打印機也必須讓3D打印機知道自己要打什么？想要打印出東西來，那就必須準備好對應的3D模型數據。獲取數模通常會采用以下三種方式。一、增材制造工作流程獲取數模直接下載模型

對于年齡較小或是沒有三維造型基礎的人，想要進行3D打印，最簡單的方法就是直接到網上下載STL格式的數據模型。目前國內外互聯網上均建有一些非常好的網站，可以從中免費或付費下載許多可供打印的三維數據模型。3D光學掃描

光學掃描儀是一種三維掃描設備，可用于創建物體幾何表面的點云，部分光學掃描儀甚至能夠獲取表面顏色掃描得到彩色的三維模型。光學掃描儀目前廣泛運用于工業生產中的逆向工程、質量檢驗領域，它獲取的模型也可以在直接進行3D打印。軟件建模導出

目前主流的三維CAD軟件都具備將3D模型導出為STL格式的功能。同時，三維CAD軟件強大的建模能力也保證了個性化、定制化設計三維模型的可能性。因為，對于具備一定專業基礎的人來說，使用一款趁手的三維CAD軟件自主設計造型，并導出三維打印所需的STL格式文件是一項必備技能。3D打印機如同神筆馬良手中的那只“神筆”，可以化虛為實，但是4數據處理是在“準備好模型數據”和“將數模導入3D打印機”這兩步之間必不可少的中間環節。它主要包含對3D數據的檢查修復、調整優化模型結構、生成加工程序這三項。一、增材制造工作流程數據處理3D數據的檢查修復

由于STL文件結構簡單，缺少幾何拓撲上要求的健壯性，同時也由于一些三維造型軟件在三角形網格算法上的缺陷，生成的STL數據常常會存在一些問題。據統計，從CAD到STL轉換時會有將近70%文件存在各種不同的錯誤，而不同3D打印設備對此的容錯率則各不相同。因此，如果對這些問題不做處理，很可能會影響到后續分層處理等環節，從而導致設備無法正常打印。所以，打印前很有必要對STL文件進行檢測和修復。調整優化模型結構

3D打印的STL格式模型是一種“無參”模型，它不能像諸多參數化模型那樣輕易地進行編輯、修改。然而，在實際使用生產中，考慮到3D打印工藝性，常常會遇到需要對STL數據進行編輯，調整、優化模型結構的情況。生成加工程序

D打印機也屬于數控機床的一種，它需要根據對應的程序指令來控制設備動作。以FDM設備為例，3D打印機先接收到加工程序代碼，從而進行控制噴頭運動、調整溫度、擠出絲料等一系列動作，最終打印出所需制件。所以，要讓3D打印機工作，就必須將STL數據模型轉換成機床可以直接識讀的加工程序代碼，通常我們會口語化的將這一轉換過程稱之為“切片”，而將使用的輔助軟件稱為“切片軟件”。數據處理是在“準備好模型數據”和“將數模導入3D打印機”這兩5執行3D打印也就是開啟設備進行加工生產的環節，這一環節自動化程度比較高，其實反而是相對比較簡單的環節。操作人員需要掌握所使用的3D打印設備基本操作、耗材更換、常規維護與保養的流程與方法，在使用時將加工程序導入并執行打印，完成打印后取下制件。一、增材制造工作流程執行3D打印執行3D打印也就是開啟設備進行加工生產的環節，這一環節自動化63D打印件的后處理泛指取下3D打印件后再對其進行的手工或機加工處理。例如，去除在打印一些懸空結構時所添加的支撐結構；由于3D打印機能限制加工出的零件還比較粗糙，對其進行物理拋光或化學拋光；對打印出的單色制件進行上色……一、增材制造工作流程制件后處理3D打印件的后處理泛指取下3D打印件后再對其進行的手工或機加7FDM類型3D打印設備的典型操作流程如圖二、FDM設備的操作裝載絲材&調整托盤導入模型/程序執行打印取下制件剝離支撐材料FDM類型3D打印設備的典型操作流程如圖二、FDM設備的操作8FDM設備的打印耗材為塑料絲。在每次打印前，均需確認耗材的種類、數量（長度或重量）、品質情況，如有需要則及時進行更換。這其中尤為容易被忽略的就是對耗材品質情況的確認，因為當機器中的塑料絲長時間不使用并置于空氣中后，極易受潮或脆化，絲料受潮會導致噴頭加溫中產生汽泡從而影響正常出料，而絲料脆化則會導致斷料的情況大大增加。一般而言塑料絲耗材為卷盤狀，好的材料還會在外面增加一個盒子。在更換耗材時，先控制設備噴頭加溫，送料機構倒轉將原有絲材退出，接著將新材料端部斜剪45°頭后導入送料結構，控制送料機構正轉將塑料絲往前送，最后觀察到噴頭處有熔絲流出即說明更換完成。二、FDM設備的操作裝載絲材&調整托盤FDM設備的打印耗材為塑料絲。在每次打印前，均需確認耗材的種9托盤的調整通常指的是“調平”和“調高”。調平指的是將工作臺面調整至水平（設備水平擺放時），調高指的則是調整噴頭最低點的位置（與工作臺面間距值）。FDM打印中，如果第一層塑料能夠很好的粘在打印平臺上，那么后續打印也會非常順利，而如果平臺不平或是基準高度不準確，則很可能導致模型的第一層整體打的很松，或是很緊，又或者是一側送一則緊，嚴重時甚至會撞壞打印頭。調高通常在調平之后進行，也就是噴頭相對于托盤在Z方向上高度基準位置的調整。以手動調整為例，采用的是類似于CNC機床對刀所用的“逼近法”——首層打印的合理間隙值約為0.15mm，大約等于一張A4紙的厚度。如圖所示，先用高倍率移動調整噴頭逐步逼近托盤，在兩者間放入一張A4紙并來回小幅抽動，當感受到A4紙抽動困難時說明間隙過小，退回一格，并降低速度倍率再次重復前一輪動作……直至A4紙在噴頭與托盤間能夠正常抽動并但略有阻尼感，則間隙恰當，將此高度設置為零位基準即可。二、FDM設備的操作裝載絲材&調整托盤托盤的調整通常指的是“調平”和“調高”。二、FDM設備的操作10導入數據是設備工作前必須要完成的動作。FDM設備需要根據程序代碼控制噴頭運動、調整溫度、擠出絲料等動作，才能打印出所需制件。可導入FDM設備的數據分為STL格式的模型數據以及Gcode格式的加工程序代碼兩種。對于目前大部分設備，可以直接將STL格式的模型數據導入3D打印機本體或是本體所連接的計算機中，設備可以通過內置或配套的軟件處理數據，將其轉換為加工程序；而對于早期的一些桌面機或是某些3D打印愛好者DIY的拼裝機型，這些設備通常不具備獨立處理模型的能力，那么就需要提前通過CAM軟件轉化好數據，再將轉化后的程序代碼（通常為Gcode格式）導入到設備中。二、FDM設備的操作導入模型/程序導入數據是設備工作前必須要完成的動作。FDM設備需要根據程序11執行打印的操作非常簡單，通常只需要根據文件名選中所需加工的零件，然后根據提示進行傻瓜式的操作即可。但對于FDM成型工藝來說有一點非常重要，即操作者一定要觀察首層打印的質量，這是因為在FDM打印中底層塑料與工作臺面的粘結是最容易發生問題的地方。當觀察到第一層打印質量不高（厚薄不均、未粘牢等）時，應果斷終止打印，調整設備后重新打印，否則極易在后續打印過程中發生底層翹邊、制件傾倒等問題。當打印完成后，即可將托盤取出并取下制件。剛打印完成時，制件溫度較高，此時制件更容易被取下；當制件和托盤完全冷卻后，制件會比較難以取下，此時可以借助鏟刀等工具鏟下制件。如果是和托盤接觸面較大的制件，還可以通過輕微用力掰彎底板以減小接觸面的方式，使得3D打印制件更容易被取下。二、FDM設備的操作執行打印&取下制件執行打印的操作非常簡單，通常只需要根據文件名選中所需加工的零12由于很多情況下3D打印制件存在支撐結構，因此對于這類制件還需要剝離這部分支撐材料。對于大部分的單噴頭設備，支撐材料和零件本體是同一種材料，需要使用剝除鉗、鑷子這類工具進行手工剝離。先觀察支撐情況，大面積的支撐材料可以用斜口鉗去除；對于細小的部分，可以改用適當大小的刻刀來去除。在手工剝離過程中，盡量不要讓刀刃接觸模型，以免對模型造成損壞，同時也要注意安全，不要被工具割傷手。對于另一部分的多噴頭的設備，有時支撐結構會采用不同的材料來打印，此時就可以根據支撐結構材料的特性選用合適的去除方法。例如，Stratasys的Dimension1200sst設備即使用了一種可溶式支撐材料，將3D打印制件本體連同支撐結構一同丟入加熱的堿水中一段時間，支撐材料會自行溶解。二、FDM設備的操作剝離支撐材料由于很多情況下3D打印制件存在支撐結構，因此對于這類制件還需13SLA/DLP/PolyJet類型3D打印設備的典型操作流程流程如圖三、SLA/DLP/PolyJet設備的操作裝載樹脂導入模型/程序執行打印取出制件清洗制件&去除支撐SLA/DLP/PolyJet類型3D打印設備的典型操作流程14SLA/DLP/PolyJet三種類型的3D打印原理各有所不同，但它們所使用的打印耗材均為液態光敏樹脂，因此在打印制件前均需確保將合格的光敏樹脂材料裝載入設備。光敏樹脂具有遇光固化的特性，因此通常保存在深色不透明容器中。對于SLA和DLP類型的設備，它們的工作區域均設有一個樹脂槽，正確的操作是在制件打印前將光敏樹脂倒入槽中，而在完成打印后則放出槽中多余樹脂，將其處理或酌情過濾后回收。PolyJet類型設備的樹脂材料裝載方式比較特殊，采用的是直接插入的方法。光敏樹脂液體如圖所示裝在一個罐中，前端設有一個接口，需要使用時可將接口對準設備直接插入料倉位置，更換材料時也可以直接將材料罐拔出。聚合物噴射技術設備的結構類似于傳統噴墨打印機，壓力泵將光敏樹脂從材料罐中吸出，通過導管導入多排密布的噴頭，在工作時進行噴射。三、SLA/DLP/PolyJet設備的操作裝載樹脂SLA/DLP/PolyJet三種類型的3D打印原理各有所不15光敏樹脂類3D打印機的模型或程序數據導入方法與FDM類設備基本相同。根據設備具體情況，將STL格式的模型數據導入設備或電腦中，通過打印機內置切片軟件或計算機中安裝的切片軟件進行處理，設置好模型擺放、支撐結構以及一些相關工藝參數，生成加工程序后即可導入3D打印機。三、SLA/DLP/PolyJet設備的操作導入模型/程序光敏樹脂類3D打印機的模型或程序數據導入方法與FDM類設備基16在導入數據后，光固化類設備一般只需按操作規程完成面板操作即可啟動打印。這類設備使用時需要注意的是創建理想的工作環境，即通風、溫濕度、光照等條件。因為光敏樹脂具有輕微毒性，聞起來也有一定的刺激性氣味，因此需要確保工作場地有良好的通風條件；設備工作區的理想環境溫度為25℃左右，濕度應小于40%，這樣更有利于產品品質和原材料的保存；設備最好置于暗房中，房間所配備的照明宜采用黃光，因為藍光會促使樹脂槽內的材料提前固化。完成打印后，即可將制件取出。對SLA設備，先將樹脂槽內液面降低，露出完整工件，隨后課使用鏟刀等工具輔助取下制件；對DLP設備，由于是“倒吊著”加工的，可以先將制件抬高靜置一段時間，待樹脂液不再滴落時鏟下制件；對PolyJet設備，完成后待零件冷卻五分鐘即可直接用鏟刀將工件整體鏟下。三、SLA/DLP/PolyJet設備的操作執行打印&取出制件在導入數據后，光固化類設備一般只需按操作規程完成面板操作即可17光敏樹脂3D打印制件去除支撐分成兩種情況。首先對于SLA和DLP設備，剛取下的制件表面還會附著一層樹脂液體，可使用噴壺噴灑75%濃度的酒精溶液，然后將樹脂液擦拭干凈。隨后對于一些結構性的支撐，還是要借助工具來去除，由于光照強度不同，光固化制件有時會硬而脆（曝光時間長），有時又呈現出軟韌的特性（曝光時間短），所以一定要根據制件的實際情況合理選用輔助工具。而對于PolyJet設備，其制件中的支撐結構部分為一種特殊材料，在光固化后成為類似于凝膠狀的形態，用手即可剝離。對這類制件，可使用高壓水槍沖洗，即可完全沖掉支撐材料，得到3D打印制件本體。三、SLA/DLP/PolyJet設備的操作清洗制件&去除支撐光敏樹脂3D打印制件去除支撐分成兩種情況。三、SLA/DLP18SLS/SLM類型3D打印設備的典型操作流程流程如圖四、SLS/SLM設備的操作裝載粉材&調整刮刀導入層片文件執行打印取下制件吹凈制件&去除支撐SLS/SLM類型3D打印設備的典型操作流程流程如圖四、SL19SLS與SLM工藝中使用的是粉末狀的塑料或金屬材料，將粉材倒入設備成型倉后，刮刀將粉面刮平，隨后激光頭射出激光將粉末燒結或熔融。粉末的品質以及刮刀的安裝會顯著影響打印結果，因此，在每次打印前都必須重新裝載粉材，并校驗調整刮刀的位置。SLS與SLM設備中都設有專門儲存粉末的粉倉。理論上來說，在前一次打印中沒有被燒結或熔融成型的粉末是可以被循環反復使用的，但是在實際生產中，有些靠近制件的粉末小顆粒由于離高溫區較近，會凝結成為“大顆粒”，粉末顆粒直徑過大會嚴重影響成型件的質量，所以必須予以篩除。刮刀的校準也是每次打印前必須要完成的動作。3D印件的分層厚度對制件品質以及生產效率影響巨大，在打印前需要校核并調整托盤水平度以及刮刀間隙。托盤不水平、刮刀間隙不均勻、不合理，則會導致制件成型層厚有誤差，嚴重的話甚至可能導致在打印中刮倒成型件。四、SLS/SLM設備的操作裝載粉材&調整刮刀SLS與SLM工藝中使用的是粉末狀的塑料或金屬材料，將粉材倒20SLS和SLM類型的設備在數據導入方面與其它類型的設備有所不同，它們一般都不具備直接識別STL格式模型文件的能力，而是需要導入中間格式的“層片文件”，常見格式有CLI、SLC等。所謂層片文件，其實是三維模型和加工程序之間的一個中間文件。簡單來說，三維模型轉換成加工程序的底層邏輯分為兩步：首先是將整體3D模型切片分層，轉換為若干2D圖層的疊加狀態（也可稱之為2.5D）；然后根據設備配置、產品質量要求等情況將其轉換為含有工藝參數信息的加工程序。四、SLS/SLM設備的操作導入層片文件模型數據（STL）層片文件（CLI、SLC等）加工程序（GCODE）SLS和SLM類型的設備在數據導入方面與其它類型的設備有所不21在設備中導入層片文件后，可以通過設備內置的軟件來設置加工工藝參數。通常會為制件本體和支撐結構選擇不同的工藝參數，確保打印完成后支撐便于去除。使用SLS/SLM設備時需要注意兩點：提前關閉成型艙門填充惰性氣體、保持工作場所通風環境。完成打印后，即可取下制件。SLS/SLM制品的材質分為塑料和金屬兩大類，取下的方式也有所區別。對于尼龍等塑料材質制件，使用鏟刀等輔助工具將制件手工取下即可；對于金屬材料制件，由于在激光燒融的過程中，制件底面會與下方金屬托盤緊密燒結在一起，因此必須使用專門的工具將金屬件切割下來。當底部接觸面很小時，可以使用手持式切割機進行切割；當接觸面較大時，則需要使用電切削線切割機床將制件割下。四、SLS/SLM設備的操作執行打印&取下制件在設備中導入層片文件后，可以通過設備內置的軟件來設置加工工藝22SLS/SLM制件是從成型倉的粉堆中取出的，因此其表面以及內孔中會附著、充滿材料粉末顆粒。取下制件后一定要傾倒出制件中殘存的粉末，并第一時間利用氣槍等工具將殘粉顆粒吹除，否則一旦遇水或受潮，則粉末會變得難以清除。支撐結構的去除方式與其它類型的3D打印方式基本相同。對于金屬制件，由于其支撐結構也是金屬材質，因此可借助各類電動、氣動工具予以去除；金屬制件表面上的切口痕跡可通過砂紙、磨頭等工具進行打磨。四、SLS/SLM設備的操作吹凈制件&去除支撐SLS/SLM制件是從成型倉的粉堆中取出的，因此其表面以及內23常見的3DP設備可分為全彩3D打印機及砂模打印機兩類。