增材制造技术基础课件第6章

增材制造技术基础走进3D打印第六章得心应手——增材制造设备的操作增材制造技术基础走进3D打印第六章得心应手——增材制造设备1【学习目标】掌握增材制造的一般工作流程。了解典型熔融沉积类、光固化类、粉末烧结与熔融类3D打印设备的操作流程。了解几类主要3D打印成型设备操作的要点。【学习目标】2不同类型的3D打印成型原理有所不同，因此这些设备的具体操作方法也不尽相同。但即使是不同类型的3D打印机，我们在使用时仍然会大体遵循一个基本的操作流程，这一流程如图所示。一、增材制造工作流程不同类型的3D打印成型原理有所不同，因此这些设备的具体操作方33D打印机如同神笔马良手中的那只“神笔”，可以化虚为实，但是，再神的神笔也离不开马良这位执笔人。要用神笔就要让神笔知道自己要画什么，要用3D打印机也必须让3D打印机知道自己要打什么？想要打印出东西来，那就必须准备好对应的3D模型数据。获取数模通常会采用以下三种方式。一、增材制造工作流程获取数模直接下载模型

对于年龄较小或是没有三维造型基础的人，想要进行3D打印，最简单的方法就是直接到网上下载STL格式的数据模型。目前国内外互联网上均建有一些非常好的网站，可以从中免费或付费下载许多可供打印的三维数据模型。3D光学扫描

光学扫描仪是一种三维扫描设备，可用于创建物体几何表面的点云，部分光学扫描仪甚至能够获取表面颜色扫描得到彩色的三维模型。光学扫描仪目前广泛运用于工业生产中的逆向工程、质量检验领域，它获取的模型也可以在直接进行3D打印。软件建模导出

目前主流的三维CAD软件都具备将3D模型导出为STL格式的功能。同时，三维CAD软件强大的建模能力也保证了个性化、定制化设计三维模型的可能性。因为，对于具备一定专业基础的人来说，使用一款趁手的三维CAD软件自主设计造型，并导出三维打印所需的STL格式文件是一项必备技能。3D打印机如同神笔马良手中的那只“神笔”，可以化虚为实，但是4数据处理是在“准备好模型数据”和“将数模导入3D打印机”这两步之间必不可少的中间环节。它主要包含对3D数据的检查修复、调整优化模型结构、生成加工程序这三项。一、增材制造工作流程数据处理3D数据的检查修复

由于STL文件结构简单，缺少几何拓扑上要求的健壮性，同时也由于一些三维造型软件在三角形网格算法上的缺陷，生成的STL数据常常会存在一些问题。据统计，从CAD到STL转换时会有将近70%文件存在各种不同的错误，而不同3D打印设备对此的容错率则各不相同。因此，如果对这些问题不做处理，很可能会影响到后续分层处理等环节，从而导致设备无法正常打印。所以，打印前很有必要对STL文件进行检测和修复。调整优化模型结构

3D打印的STL格式模型是一种“无参”模型，它不能像诸多参数化模型那样轻易地进行编辑、修改。然而，在实际使用生产中，考虑到3D打印工艺性，常常会遇到需要对STL数据进行编辑，调整、优化模型结构的情况。生成加工程序

D打印机也属于数控机床的一种，它需要根据对应的程序指令来控制设备动作。以FDM设备为例，3D打印机先接收到加工程序代码，从而进行控制喷头运动、调整温度、挤出丝料等一系列动作，最终打印出所需制件。所以，要让3D打印机工作，就必须将STL数据模型转换成机床可以直接识读的加工程序代码，通常我们会口语化的将这一转换过程称之为“切片”，而将使用的辅助软件称为“切片软件”。数据处理是在“准备好模型数据”和“将数模导入3D打印机”这两5执行3D打印也就是开启设备进行加工生产的环节，这一环节自动化程度比较高，其实反而是相对比较简单的环节。操作人员需要掌握所使用的3D打印设备基本操作、耗材更换、常规维护与保养的流程与方法，在使用时将加工程序导入并执行打印，完成打印后取下制件。一、增材制造工作流程执行3D打印执行3D打印也就是开启设备进行加工生产的环节，这一环节自动化63D打印件的后处理泛指取下3D打印件后再对其进行的手工或机加工处理。例如，去除在打印一些悬空结构时所添加的支撑结构；由于3D打印机能限制加工出的零件还比较粗糙，对其进行物理抛光或化学抛光；对打印出的单色制件进行上色……一、增材制造工作流程制件后处理3D打印件的后处理泛指取下3D打印件后再对其进行的手工或机加7FDM类型3D打印设备的典型操作流程如图二、FDM设备的操作装载丝材&调整托盘导入模型/程序执行打印取下制件剥离支撑材料FDM类型3D打印设备的典型操作流程如图二、FDM设备的操作8FDM设备的打印耗材为塑料丝。在每次打印前，均需确认耗材的种类、数量（长度或重量）、品质情况，如有需要则及时进行更换。这其中尤为容易被忽略的就是对耗材品质情况的确认，因为当机器中的塑料丝长时间不使用并置于空气中后，极易受潮或脆化，丝料受潮会导致喷头加温中产生汽泡从而影响正常出料，而丝料脆化则会导致断料的情况大大增加。一般而言塑料丝耗材为卷盘状，好的材料还会在外面增加一个盒子。在更换耗材时，先控制设备喷头加温，送料机构倒转将原有丝材退出，接着将新材料端部斜剪45°头后导入送料结构，控制送料机构正转将塑料丝往前送，最后观察到喷头处有熔丝流出即说明更换完成。二、FDM设备的操作装载丝材&调整托盘FDM设备的打印耗材为塑料丝。在每次打印前，均需确认耗材的种9托盘的调整通常指的是“调平”和“调高”。调平指的是将工作台面调整至水平（设备水平摆放时），调高指的则是调整喷头最低点的位置（与工作台面间距值）。FDM打印中，如果第一层塑料能够很好的粘在打印平台上，那么后续打印也会非常顺利，而如果平台不平或是基准高度不准确，则很可能导致模型的第一层整体打的很松，或是很紧，又或者是一侧送一则紧，严重时甚至会撞坏打印头。调高通常在调平之后进行，也就是喷头相对于托盘在Z方向上高度基准位置的调整。以手动调整为例，采用的是类似于CNC机床对刀所用的“逼近法”——首层打印的合理间隙值约为0.15mm，大约等于一张A4纸的厚度。如图所示，先用高倍率移动调整喷头逐步逼近托盘，在两者间放入一张A4纸并来回小幅抽动，当感受到A4纸抽动困难时说明间隙过小，退回一格，并降低速度倍率再次重复前一轮动作……直至A4纸在喷头与托盘间能够正常抽动并但略有阻尼感，则间隙恰当，将此高度设置为零位基准即可。二、FDM设备的操作装载丝材&调整托盘托盘的调整通常指的是“调平”和“调高”。二、FDM设备的操作10导入数据是设备工作前必须要完成的动作。FDM设备需要根据程序代码控制喷头运动、调整温度、挤出丝料等动作，才能打印出所需制件。可导入FDM设备的数据分为STL格式的模型数据以及Gcode格式的加工程序代码两种。对于目前大部分设备，可以直接将STL格式的模型数据导入3D打印机本体或是本体所连接的计算机中，设备可以通过内置或配套的软件处理数据，将其转换为加工程序；而对于早期的一些桌面机或是某些3D打印爱好者DIY的拼装机型，这些设备通常不具备独立处理模型的能力，那么就需要提前通过CAM软件转化好数据，再将转化后的程序代码（通常为Gcode格式）导入到设备中。二、FDM设备的操作导入模型/程序导入数据是设备工作前必须要完成的动作。FDM设备需要根据程序11执行打印的操作非常简单，通常只需要根据文件名选中所需加工的零件，然后根据提示进行傻瓜式的操作即可。但对于FDM成型工艺来说有一点非常重要，即操作者一定要观察首层打印的质量，这是因为在FDM打印中底层塑料与工作台面的粘结是最容易发生问题的地方。当观察到第一层打印质量不高（厚薄不均、未粘牢等）时，应果断终止打印，调整设备后重新打印，否则极易在后续打印过程中发生底层翘边、制件倾倒等问题。当打印完成后，即可将托盘取出并取下制件。刚打印完成时，制件温度较高，此时制件更容易被取下；当制件和托盘完全冷却后，制件会比较难以取下，此时可以借助铲刀等工具铲下制件。如果是和托盘接触面较大的制件，还可以通过轻微用力掰弯底板以减小接触面的方式，使得3D打印制件更容易被取下。二、FDM设备的操作执行打印&取下制件执行打印的操作非常简单，通常只需要根据文件名选中所需加工的零12由于很多情况下3D打印制件存在支撑结构，因此对于这类制件还需要剥离这部分支撑材料。对于大部分的单喷头设备，支撑材料和零件本体是同一种材料，需要使用剥除钳、镊子这类工具进行手工剥离。先观察支撑情况，大面积的支撑材料可以用斜口钳去除；对于细小的部分，可以改用适当大小的刻刀来去除。在手工剥离过程中，尽量不要让刀刃接触模型，以免对模型造成损坏，同时也要注意安全，不要被工具割伤手。对于另一部分的多喷头的设备，有时支撑结构会采用不同的材料来打印，此时就可以根据支撑结构材料的特性选用合适的去除方法。例如，Stratasys的Dimension1200sst设备即使用了一种可溶式支撑材料，将3D打印制件本体连同支撑结构一同丢入加热的碱水中一段时间，支撑材料会自行溶解。二、FDM设备的操作剥离支撑材料由于很多情况下3D打印制件存在支撑结构，因此对于这类制件还需13SLA/DLP/PolyJet类型3D打印设备的典型操作流程流程如图三、SLA/DLP/PolyJet设备的操作装载树脂导入模型/程序执行打印取出制件清洗制件&去除支撑SLA/DLP/PolyJet类型3D打印设备的典型操作流程14SLA/DLP/PolyJet三种类型的3D打印原理各有所不同，但它们所使用的打印耗材均为液态光敏树脂，因此在打印制件前均需确保将合格的光敏树脂材料装载入设备。光敏树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。对于SLA和DLP类型的设备，它们的工作区域均设有一个树脂槽，正确的操作是在制件打印前将光敏树脂倒入槽中，而在完成打印后则放出槽中多余树脂，将其处理或酌情过滤后回收。PolyJet类型设备的树脂材料装载方式比较特殊，采用的是直接插入的方法。光敏树脂液体如图所示装在一个罐中，前端设有一个接口，需要使用时可将接口对准设备直接插入料仓位置，更换材料时也可以直接将材料罐拔出。聚合物喷射技术设备的结构类似于传统喷墨打印机，压力泵将光敏树脂从材料罐中吸出，通过导管导入多排密布的喷头，在工作时进行喷射。三、SLA/DLP/PolyJet设备的操作装载树脂SLA/DLP/PolyJet三种类型的3D打印原理各有所不15光敏树脂类3D打印机的模型或程序数据导入方法与FDM类设备基本相同。根据设备具体情况，将STL格式的模型数据导入设备或电脑中，通过打印机内置切片软件或计算机中安装的切片软件进行处理，设置好模型摆放、支撑结构以及一些相关工艺参数，生成加工程序后即可导入3D打印机。三、SLA/DLP/PolyJet设备的操作导入模型/程序光敏树脂类3D打印机的模型或程序数据导入方法与FDM类设备基16在导入数据后，光固化类设备一般只需按操作规程完成面板操作即可启动打印。这类设备使用时需要注意的是创建理想的工作环境，即通风、温湿度、光照等条件。因为光敏树脂具有轻微毒性，闻起来也有一定的刺激性气味，因此需要确保工作场地有良好的通风条件；设备工作区的理想环境温度为25℃左右，湿度应小于40%，这样更有利于产品品质和原材料的保存；设备最好置于暗房中，房间所配备的照明宜采用黄光，因为蓝光会促使树脂槽内的材料提前固化。完成打印后，即可将制件取出。对SLA设备，先将树脂槽内液面降低，露出完整工件，随后课使用铲刀等工具辅助取下制件；对DLP设备，由于是“倒吊着”加工的，可以先将制件抬高静置一段时间，待树脂液不再滴落时铲下制件；对PolyJet设备，完成后待零件冷却五分钟即可直接用铲刀将工件整体铲下。三、SLA/DLP/PolyJet设备的操作执行打印&取出制件在导入数据后，光固化类设备一般只需按操作规程完成面板操作即可17光敏树脂3D打印制件去除支撑分成两种情况。首先对于SLA和DLP设备，刚取下的制件表面还会附着一层树脂液体，可使用喷壶喷洒75%浓度的酒精溶液，然后将树脂液擦拭干净。随后对于一些结构性的支撑，还是要借助工具来去除，由于光照强度不同，光固化制件有时会硬而脆（曝光时间长），有时又呈现出软韧的特性（曝光时间短），所以一定要根据制件的实际情况合理选用辅助工具。而对于PolyJet设备，其制件中的支撑结构部分为一种特殊材料，在光固化后成为类似于凝胶状的形态，用手即可剥离。对这类制件，可使用高压水枪冲洗，即可完全冲掉支撑材料，得到3D打印制件本体。三、SLA/DLP/PolyJet设备的操作清洗制件&去除支撑光敏树脂3D打印制件去除支撑分成两种情况。三、SLA/DLP18SLS/SLM类型3D打印设备的典型操作流程流程如图四、SLS/SLM设备的操作装载粉材&调整刮刀导入层片文件执行打印取下制件吹净制件&去除支撑SLS/SLM类型3D打印设备的典型操作流程流程如图四、SL19SLS与SLM工艺中使用的是粉末状的塑料或金属材料，将粉材倒入设备成型仓后，刮刀将粉面刮平，随后激光头射出激光将粉末烧结或熔融。粉末的品质以及刮刀的安装会显著影响打印结果，因此，在每次打印前都必须重新装载粉材，并校验调整刮刀的位置。SLS与SLM设备中都设有专门储存粉末的粉仓。理论上来说，在前一次打印中没有被烧结或熔融成型的粉末是可以被循环反复使用的，但是在实际生产中，有些靠近制件的粉末小颗粒由于离高温区较近，会凝结成为“大颗粒”，粉末颗粒直径过大会严重影响成型件的质量，所以必须予以筛除。刮刀的校准也是每次打印前必须要完成的动作。3D印件的分层厚度对制件品质以及生产效率影响巨大，在打印前需要校核并调整托盘水平度以及刮刀间隙。托盘不水平、刮刀间隙不均匀、不合理，则会导致制件成型层厚有误差，严重的话甚至可能导致在打印中刮倒成型件。四、SLS/SLM设备的操作装载粉材&调整刮刀SLS与SLM工艺中使用的是粉末状的塑料或金属材料，将粉材倒20SLS和SLM类型的设备在数据导入方面与其它类型的设备有所不同，它们一般都不具备直接识别STL格式模型文件的能力，而是需要导入中间格式的“层片文件”，常见格式有CLI、SLC等。所谓层片文件，其实是三维模型和加工程序之间的一个中间文件。简单来说，三维模型转换成加工程序的底层逻辑分为两步：首先是将整体3D模型切片分层，转换为若干2D图层的叠加状态（也可称之为2.5D）；然后根据设备配置、产品质量要求等情况将其转换为含有工艺参数信息的加工程序。四、SLS/SLM设备的操作导入层片文件模型数据（STL）层片文件（CLI、SLC等）加工程序（GCODE）SLS和SLM类型的设备在数据导入方面与其它类型的设备有所不21在设备中导入层片文件后，可以通过设备内置的软件来设置加工工艺参数。通常会为制件本体和支撑结构选择不同的工艺参数，确保打印完成后支撑便于去除。使用SLS/SLM设备时需要注意两点：提前关闭成型舱门填充惰性气体、保持工作场所通风环境。完成打印后，即可取下制件。SLS/SLM制品的材质分为塑料和金属两大类，取下的方式也有所区别。对于尼龙等塑料材质制件，使用铲刀等辅助工具将制件手工取下即可；对于金属材料制件，由于在激光烧融的过程中，制件底面会与下方金属托盘紧密烧结在一起，因此必须使用专门的工具将金属件切割下来。当底部接触面很小时，可以使用手持式切割机进行切割；当接触面较大时，则需要使用电切削线切割机床将制件割下。四、SLS/SLM设备的操作执行打印&取下制件在设备中导入层片文件后，可以通过设备内置的软件来设置加工工艺22SLS/SLM制件是从成型仓的粉堆中取出的，因此其表面以及内孔中会附着、充满材料粉末颗粒。取下制件后一定要倾倒出制件中残存的粉末，并第一时间利用气枪等工具将残粉颗粒吹除，否则一旦遇水或受潮，则粉末会变得难以清除。支撑结构的去除方式与其它类型的3D打印方式基本相同。对于金属制件，由于其支撑结构也是金属材质，因此可借助各类电动、气动工具予以去除；金属制件表面上的切口痕迹可通过砂纸、磨头等工具进行打磨。四、SLS/SLM设备的操作吹净制件&去除支撑SLS/SLM制件是从成型仓的粉堆中取出的，因此其表面以及内23常见的3DP设备可分为全彩3D打印机及砂模打印机两类。