基于FDM的切片引擎参数选择策略研究

3D打印技术中最为普及的熔融沉积快速成型 (Fused…Deposition…Modeling, FDM) 本质其实就是将丝状原料融化后通过控制打印机喷头按切片引擎生成的3D模型分层路径逐层喷涂, 最后层层堆积得到3D模型的实体。这个过程中, 切片引擎的参数设置对最终打印出来的实体各个方面都有着决定性的影响。

目前市场上面的主流3D打印机厂商基本都开发了适合自己机型的打印软件, 但很多都使用通用的核心切片引擎, 主要有slic3r、skeinforge、cura等。抛开这些切片引擎的可视化和操作性上的差异, 在其主要的切片参数的选择方面还是具有共通性的。本文旨在通过分析切片引擎的参数对3D打印模型效果的影响, 以期得到针对打印不同模型时最合理的参数, 打印出符合要求的模型。

一、层 (layers)

层高 (layer height) 层高是切片引擎参数中最重要的设置, 直接决定了3D打印的时间和质量, 理论上层高越大打印时间越短, 打印的表面质量越低。但层高的数值选择范围通常被喷嘴的直径所限制, 很明显, 在喷嘴直径确定的情况下, 选择超过或者远小于直径的层高都会造成打印质量的下降。目前市场上大多数3D打印机的喷嘴直径都是0.4mm, 层高的选择范围一般为喷嘴直径的20%—80%, 一般来说如果想兼顾打印效率和打印质量, 可选择中间值0.2mm作为层高, 在此基础上增加层高则打印所需时间和打印质量同时下降, 反之, 降低层高则打印时间和打印质量同时上升。

外壳层数 (Perimeter shells) 外壳层数也称轮廓线层数, 是模型切片后每层所设置的封闭轮廓圈数 (图1) 。层数越多, 打印的模型强度越好, 最少不低于1, 但外轮廓只有1时由于层与层是类似于圆柱的堆叠, 很难实现没间隙并且强度也没有办法保证, 因此日常打印时这个数值推荐为2, 部分需要考虑受力的模型可以适当增加到3甚至4。当然, 轮廓线数大了, 打印时间也会随之增加。

封顶/封底层数 (top/botto msolid layers) …模型上下表面的实心层数, 这个数值选择策略和外壳层数类似, 一般不少于2层, 否则容易出现空隙。一般在考虑下模型从工作台取下时, 下表面容易受到损伤, 建议下表面可以选择3层, 而上表面选择2层。当然, 选择上下封顶层数选择越大, 则表面质量越好, 但打印时间增加。另外, 当层数增加到6以上时, 对表面质量已影响不大, 因此不建议选用6以上的数值。

其它层参数还有一些切片引擎的层参数设置并不通用, 但很有实用性。比如首层层高/宽 (first layer height/width) :为了保证打印的模型能够紧贴工作台, 保证后续的打印堆积过程不发生偏移, 首层高度和宽度可以设置的略大于层高, 以提升首层融料与工作台的接触面, 从而提升模型打印时的稳定性;随机化打印起始点 (Randomize starting points) :一般建议选择该项目, 这样可以避免发生每次打印总在同一个地方开始造成材料的堆积, 导致打印模型不光滑的现象。

二、填充 (infill)

填充密度 (infill density) :决定打印模型内部密度。填充密度越高, 模型内部填充率越高, 模型越结实, 当然也越重, 强度也随之提升。一般来说, 强度要求不高的模型, 一般20—50%充率就够。需要高强度的模型, 填充率可以提高到100%, 即实心打印, 另外打印透光浮雕或灯罩时, 为透光时清晰体现模型图案, 也会设置成实心打印。

填充图案 (infill pattern) :主要有线性、三角、六边形等, 如图2、图3、图4所示。很明显六边形填充的模型内部强度最大, 但六边形填充打印时, 电机的不断急停改变方向会给机器打印精度带来一定负面影响。因此, 选择填充图案时, 当打印非受力模型, 优先选择线性获三角填充;需考虑受力的模型则选择六边形填充。

合并填充 (Merge fill) :是指打印时将多层内部填充合并到一层进行打印, 适当设置合并填充可以提升打印效率, 但要注意合并后的填充层高不得超过喷嘴直径, 如层高设置0.2mm, 喷嘴直径0.4mm, 则合并层数不能超过2。

三、支撑 (Support)

FDM的堆积成型3D打印原理决定了当底层打印层无法成为上层的打印基础时, 上层打印的材料就会出现垮塌现象, 因此, 很多时候需要在模型外打印额外的支撑来保证堆积成型的顺利进行, 这就需要设置支撑参数。

陡峭阈值角度:低于该角度的悬垂面, 都不会自动生成支撑。该值越大, 所加支撑越少。常用范围45-70度, 由于支撑大运河需要进行额外剥离, 且会影响被支撑面表面质量, 因此, 该参数可在范围内尽量选大一些。

支撑类型:常见的有树形 (图5) 和线性 (图6) , 一般来说, 曲面优先选择树形支撑, 平面则优先选择线性支撑, 这样选择有利于模型外形的打印。线性支撑可以通过调整线距来确定支撑线密度, 一般来说, 密度越大虽然精度有所提升, 但越难以去除, 一般设置大于1mm;而树形支撑主要通过设置树桩的直径来调整支撑的力度, 同样, 直径越大支撑精度更高, 但难以去除, 一般设置3mm。

最小支撑区域:低于此值的悬空区域将不会添加支撑。理论上该值越小, 自动添加支撑的区域越多。数值设置过大, 会导致一些需要加支撑的区域被忽略, 或仅需要加一点支撑的区域被加了很多, 推荐该参数设置1-3mm。

四、结束语

FDM的模型切片引擎涉及的参数还有许多, 比如打印速度、回抽速度、打印温度等, 但多数厂商在打印机出厂时已经把最优参数固化在打印软件里而不需要使用者重新设置。目前, 切片引擎主要还是归属图形学的一门技术, 仅仅将3D模型进行分层然后输出矢量集合, 相信不久的将来, 力学和材料学理论会逐渐在切片引擎中发挥更大的作用, 让3D打印模型达到更高的质量。

摘要：本文通过对slic3r、skeinforge、cura等FDM切片引擎所使用的主要模型切片参数的功能进行研究比较, 总结了层、填充、支撑的多种参数设置原理及选择策略, 实现了多种工艺参数的优化选择, 达到快速设置切片引擎, 完成3D打印优质模型的目的。

关键词：FDM,3D打印,切片引擎

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