2018-07-10

3D打印机的误差从何而来?  听我说

随着3D打印技术的渐渐普及，得以让越来越多的普通用户，可以接触到3D打印技术，了解3D打印的魅力所在。然而，前景虽好，却不得不叫人在意其打印精度的问题。那么，都有哪些因素会影响到3D打印机的打印精度呢？本期，我们就以熔融沉积成型技术（FDM）为例，与各位探讨一下影响3D打印成品精度的几个因素，希望能对各位3D打印爱好者有所帮助。

熔融沉积成型技术（FDM），是目前桌面3D打印机采用的主流技术，其工作原理是将丝状的热塑料材料通过喷头加热熔化并挤出成型，以ABS\PLA等聚合物以及石蜡为主要材料。其实，在3D打印过程中，影响成品精度的因素有很多，例如打印机的自身精度、打印温度、打印速度、材料等等，我们逐一来看。

打印机自身精度

其实，这一点在购入3D打印机之初就已经决定了，因此在购买打印机前一定看清挑选好。接着来说，3D打印机自身的制造和装配精度以及工作过程中的振动都会影响其打印精度。与普通打印机只能实现X、Y两个方向移动不同，3D打印机除了X、Y以外还增加了Z轴的纵向移动，任何一丝的移动都是部件之间的相互摩擦受力，始终会存有细微的偏差。例如XY平面误差，打印机框架结构及所用材料的刚度，会对其稳定性有着很大影响。对于那些专业用户而言，选择更重的打印负荷与更多的金属材料，将有助于打印机的稳定性与耐久度。

此外，喷嘴的直径也决定了挤出丝材的宽度，从而影响成品的精细程度。要知道，3D打印是通过逐层打印的方式来构造物体的，因此层厚的设置同样会影响成品的粗糙程度：选用大直径喷嘴，层厚设置较厚，虽然打印速度比较快，但成品会比较粗糙；反之，则打印速度慢，但成品更加精细。

打印温度

这里我们要说的打印温度，实际上包含了喷头温度与成型室温度。其中，喷头温度决定了材料的粘结性能、堆积性能、丝材流量以及挤出丝宽度。因此，喷头温度既不能过低也不能太高。过低，使材料粘度加大，挤丝速度变慢；太高则使材料偏向于液态，粘性系数变小流动性增强，挤出过快，无法形成可精确控制的丝。因此，设置喷头温度时应根据所选线材的性质在一定范围内选择，以保证挤出的丝呈熔融流动状态。

成型室温度则会影响成形件的热应力大小，温度高虽有助于减少热应力，但零件表面易起皱；温度过低，从喷嘴挤出的丝材骤冷将使成形件热应力增加，易引起零件翘曲变形。为了顺利成形，打印ABS时，一般成形室温度保持在55 ℃为佳，而PLA则需尽量保持通风散热，不宜保温。

分层厚度与补偿量

所谓分层厚度，指的是切片时的层厚（或层高），每层都具有一定厚度，会在成形后的产品表面产生肉眼可见的台阶纹，层厚越高文理越明显，将影响成形后实体的尺寸误差以及表面的粗糙程度。对FDM技术而言，这属于原理性误差无法完全消除台阶纹，但可以通过设置较小的分层厚度进行改善。

而补偿量指的是成件实际加工轮廓线之间的距离值，那些对精度要求高的模型来说，一般建模就要尽量给出补偿尤其是内孔，补偿量数值的设定与挤出丝的直径、3D打印机性能等方面有关，要自己慢慢摸索。

挤出速度与填充速度

在填充速度合理匹配的情况下，挤出速度越大，挤出丝的截面宽度越大；当挤出速度增至一定值时，挤出的丝可能会粘附于喷嘴外圆锥面，剐蹭到模型外表面而影响美观。当填充速度比挤出速度快时，材料则会因填充不足而出现断丝的现象，难以成形；反之，填充速度比挤出速度慢，熔丝易堆积在喷头上而使成形面材料分布不均匀，表面出现疙瘩，影响打印质量。因此，填充速度与挤出速度之间应在一个合理的范围内。