刘晓军，迟百宏，焦志伟，杨卫民

1 引言

随着科学技术的发展，3D打印这一先进的科技得到越来越多的应用[1]，它综合了数字建模技术、机电控制技术、信息技术、材料科学等方面的前沿技术知识，是一项具有很高的科技含量的技术[2]，它突破了传统的加工模式，被称之为“第三次工业革命”的代表性技术[3]。从行业发展的角度来看，整个3D打印产业链都存在巨大的潜在发展空间。而工业用3D打印机的研发和推广，还远没有像个人3D打印机发展的那么快，工业用3D打印材料的配套还有很大的提升空间。相较于桌面级家用3D打印机，工业级的3D打印机首先是打印尺寸大幅度提高。传统的桌面级3D打印机，一般打印尺寸不会超过30立方厘米，不利于工业承重和结构强度的需要[4]。随着各种混合材料（如：尼龙+玻璃纤维、尼龙+碳纤维、尼龙+矿物纤维、尼龙+玻璃微珠、尼龙+铝粉、尼龙+铜粉等+铝粉等）的出现[2]，传统的桌面级3D打印机难以满足3D打印制品对材料和体积的需求，大型化、多材料适用性的3D打印机在未来必将会得到较大发展。2012年，中国商飞公司与西北工业大学联合攻关，成功用大型SLS 3D打印机制造出高达3m的C919飞机大型钛合金结构件—中央翼缘条[5]。文献[6]共同研发了最大加工尺寸达1.8m的激光3D打印机，是当时世界上最大的激光3D打印机。2014年，东北名为DS-420的首台FDM工业级丝料3D打印机在长春发布，它的发布标志3D打印机再也不仅是创意者的桌面工具，将逐步成为企业创新武器[7]。2016年5月16日，知名工业级3D打印解决方案提供商EnvisionTEC宣布推出SLCOM工业级复合材料3D打机，该款3D打印机采用的技术为选择性分层复合对象制造，作为第一款使用该技术的3D打印机，SLCOM 的打印尺寸为 61×76×61cm[8]。文献[8]研发了一款六自由度钢索悬吊机器人驱动位置的大型3D打印机，该款打印机以聚氨酯泡沫塑料为打印材料，以剃须膏为支撑材料，打印2.16m高的人物雕像尺寸精度可控制在1cm。与龙门式定位系统相比较，其钢索绳可缠绕在线轴上，以使该款打印机造价更低、重量更轻、更便携、重构性更好[9]。某公司在欧洲模具展上推出了成形平台尺寸为1000×800×500mm的Objet1000大型3D打印机，被认为是用于汽车、国防、航空航天、工业机械的理想设备[10]。

大型3D打印机的发展正处于初始阶段，国内外对于其研究内容较少，而关于FDM大型3D打印机的研究更少。以北京通州区某机械公司一遗弃的数控机床为三维平台，制作了一台可打印铸造模具的FDM大型3D打印机，通过对工艺参数的分析探究了其打印性能并进行铸造模具的打印测试，对FDM技术在大型化、工业化领域的应用展开初步探讨。

2 系统结构和工作原理

大型3D打印机的整体布置，如图1所示。主要原件包括熔融塑化挤出机、大型数控机床、计量螺杆、喷头、三维成形平台等。

图1 大型FDM 3D打印机Fig.1 The Large FDM 3D Printer

2.1 熔融挤出系统

图2 熔融挤出系统Fig.2 The Molten Extrusion System

大熔融塑化系统主要由驱动电机、料斗、塑化螺杆、加热原件、温度控制原件、压力控制原件和计量螺杆构成，如图2所示。其挤出机由南京越升挤出设备有限公司研发，其中，挤出机长约为1m，挤出量约100kg/h，喷嘴直径4mm。

塑料颗粒在加热原件和塑化螺杆的共同作用下塑化，并在螺杆的正位移输送作用下向下阶建压。机筒下阶压力传感器的输出信号反馈到压力控制系统，与主螺杆的转速形成闭环控制回路，使机筒内的压力维持在稳定范围，以保证向计量螺杆输送稳定、连续的流量。塑化后的熔体经计量螺杆的传输作用挤出，其挤出流量可通过调节计量螺杆的转速来控制。

2.2 三维控制系统

三维控制系统主要由三自由度龙门式数控机床和控制原件构成。其中成形平台平面尺寸为（800×900）mm，机床三个方向的移动行程为（1000×1000×600）mm。平台驱动电机选择具有局部闭环控制功能的伺服电动机，相对于普通3D打印机所用的步进电机，位移更加精确，位移误差控制在0.1mm以内。

运动控制系统的主板选择创客公司推出的MKS-Gen V1.4，如图3所示。相对于其他主板，此主板充分考虑稳定性、散热、易用性问题，性能更加稳定。

图3 3D打印机主板Fig.3 The Control Board of 3D Printer

2.3 温度、压力控制系统

温度、压力控制系统，如图4所示。控制触摸屏选择施耐德schneider magelis。可在控制面板上输入打印所需的各阶温度和压力，打印过程便可将挤出机的温度和压力控制在恒定范围。

图4 温度、压力控制系统Fig.4 The Control System of Temperature and Pressure

2.4 底板温度控制系统

底板温度控制系统由加热棒、热传感器和温度温控原件组成。在打印过程中，底板温度对制品的外形有很大影响，在打印平台上设置温度加热元件，可保持底板温度控制在一定范围之内，能缓解冷却过快而导致的制品热收缩现象。

3 打印机工艺参数分析

3.1 压力P和计量螺杆转速vc对质量流量qm的影响

以玻纤含量为20%的ABS为实验材料，进行实验。在不同压力和计量螺杆转速下，如表1所示。喷头以20mm/s的速度在底板上方走边长为10cm正方形料的质量流量。表中仅为实验的部分数据。vc为负值表示喷头走空程时计量螺杆倒转回抽，使停止流料。回抽时仍有料流出是因为喷头处的积料受重力的作用仍会往下流出。图5为不同压力下质量流量qm随计量螺杆转速vc的变化曲线。由图可知，随着vc和P的增大，挤出流量也增大。计量螺杆正转时流量较大，变化曲率也较大。回抽时流量较小，变化曲率也小，说明达到好的回抽效果要设置较大的计量螺杆反转速度，并在能满足打印所需的质量流量的前提下，选择较小的压力。

表1 压力P和计量螺杆转速对质量流量的影响Tab.1 Effects of Pressure and Rotation Speed of Measuring Screw on Mass Flow Rate

图5 不同压力下qm随vc的变化曲线Fig.5 The Changes Rule of qmas vcChange When Pressures are Varied

3.2 打印速度vp、计量螺杆转速vc、层高z对单丝宽度的协同影响

本部分实验在压力为8MPa下打印（10*10）cm的方框样本，分别改变vp、vc、z，多次打印，得到若干组样本，分别测量熔体堆叠后单丝的宽度w，得到了不同工艺参数对丝宽的影响，实验结果，如表2所示。

表2 不同vp、vc、z下的丝宽wTab.2 Monofilament Width Under Different vp、vcand z

图6 各参数对丝宽的影响Fig.6 The Effects of Every Parameters on Width

由以上数据可知，保持任意两个参数不变，改变第三个参数的值，单丝宽度w都会发生改变，且变化规律比较明显，因此在打印过程中合理选择打印参数，是使制品具有良好外观和机械性能的关键。

3.3 打印间距对制品外观的影响

打印间距，即打印过程中两丝之间的间距，对打印制品的外观、力学强度和表面粗糙度有很大影响。保持层高z=2、压力p=6MPa、打印速度vp=10mm/s不变，分别设置打印间距为2mm、2.5mm、3mm、3.5mm、4mm，打印 5组（100×50）mm 的方块，如图 7所示。打印质量有较为明显的区别。

图7 不同打印间距对制品外观的影响Fig.7 Effect of Different Printing Distance on the Appearance of Products

图中由左向右打印间距依次增大，当打印间距过小时，制品表面有富积的料，严重影响其表面质量，当打印间距过大时，两丝之间存在缝隙，会严重影响制品的力学强度。由以上打印质量的对比可得出，在此工艺参数下，打印间距在（2.5～3）mm时，两丝之间粘接效果最好、表面光滑度最好，也即打印间距约为为喷头直径的（62～80）%时，打印效果最好。

3.4 打印性能测试

把以上工艺参数的研究做参照，打印一铸造用模具。经多次筛选，得到一组相对较好的工艺参数，为机头温度240℃，、挤出机系统压力7MPa，打印间距3mm、层高2.2mm、打印速度20mm/s，填充密度100%。打印的铸造模具及其背面经铣削加工后的形态，如图8所示。

图8 左-打印的模具和右-经过铣削处理后的模具Fig.8 Left-Mould Printed by the Machine and Right-Mould Dealt with Milling

从上图可看出，经3D打印得到的模具毛坯表面较粗糙，但经铣削加工之后，表面十分光滑，并且没有较为明显的缝隙。说明在打印过程中丝与丝之间粘接良好，填充无缝隙。但是初始毛坯比较粗糙，这样势必会增大加工余量，造成一定程度上的浪费。

4 结论

在前期熔体微分3D打印机研究的基础上，成功制作了可用于打印模具的大型FDM 3D打印机，研究了压力和计量螺杆转速对质量流量的影响，并研究了打印速度、层高、打印间距等工艺参数对堆叠后单丝宽度及打印制品外观的影响，验证了此打印机的打印可行性。结论如下：

（1）随着vc和P的增大，挤出流量也增大。计量螺杆正转时流量较大，变化曲率也较大。回抽时流量较小，变化曲率也小，说明达到好的回抽效果要设置较大的计量螺杆反转速度。

（2）堆叠后的单丝宽度随计量螺杆转速的增大而增大，随打印速度和层高的增大而减小，因此可根据打印速度的需求，根据工艺参数表合理选择其他工艺参数。

（3）打印间距对于制品的力学性能有很大影响。在确定堆叠后单丝宽度后，合理设置打印间距，当打印制品表面无缝隙且无积料时，即为理想打印间距。

（4）由于FDM工艺本身的特点，打印出的模具不能被直接应用，需经后续加工处理，因此探索最优的工艺参数、减小加工量为将为FDM技术应用于模具制造的重点。

由于材料、压力控制等其他原因，打印出的制品相对粗糙，但经切削处理后，即可达到较好的效果。关于大型FDM3D打印机的研制以及其应用于模具领域的工艺研究，还有待于进一步探索。