DimensionSST三维打印应用技术优化方法

摘 要：本文对Dimension SST三维打印机的应用技术,进行了经验总结和理论概括,提出了提高三维模型打印质量、缩短打印时间和提高表面效果的优化方法：机器高效应用前提是维护机器清洁和保障材料质量,缩短打印时间和提高质量的关键是设置合理模型转换参数和成型室放置方向,获得理想的表面效果的保障是监控打印过程,进行细致的后处理.

关 键 词 ：三维打印；应用技术；优化方法；经验总结；理论概括

0 引言

三维打印是快速成型技术的一种,相对于二维平面打印技术,Dimension SST三维打印是一种基于成型材料加热熔融喷射固化成型的快速成形技术,即先将成型材料（包括模型ABS材料和水融性支撑材料）加热软化成半液态,根据三维打印机预先计算的打印模型在该层切片的形态,精确计算喷嘴运动路径,使成型材料保持流体状态并以一定的速度和频率通过沿着指定路径运动的喷嘴,喷射到指定位置,材料逐层凝结堆积成型,从而得到成形物件,最后去掉支撑材料得到成型制品.

相对于其他快速成型技术,Dimension SST三维打印速度较快,成本较低,成型精度较高,设备体积较小,固定资产投入以及使用和维护成本较低；能够打印多种透明度,软硬程度和不同色彩的材料,打印的零件可以直接进行功能和装配试验；成型过程具有噪音小、无污染的特点.因此,长三角和珠三角地区很多高校、大中型制造企业、工业设计怎么写作机构都购写了Dimension SST三维打印机.但据笔者走访发现,由于使用和管理技术不当,很多该型打印机使用效率不高,小故障频繁,材料浪费严重,后期处理粗糙,未能充分发挥Dimension SST三维打印机的潜能.本文根据笔者多年操作Dimension SST三维打印的经验,从理论上总结该型打印机成型过程与后期处理技术,提出具体优化方法.

1.Dimension三维打印的应用现状

国外介绍Dimension三维打印应用有关文献较多,最常见的是应用优势和材料的研究,基本操作方法的说明[1,2,3],还有Dimension三维打印成功案例介绍,通过具体案例阐明Dimension三维打印相对于传统加工成型工艺（如CNC数控加工）的优势、可能的应用范围和前景等[4]；购写Dimension SST三维打印机时,厂家附赠打印机操作手册,对成型步骤有较详细的介绍,但仅是常规的基础性应用操作说明,对如何提高三维打印的效率和模型的质量没有提及.

国内检索到Dimension SST三维打印应用相关文献,常见有关Dimension三维打印的应用优势、范围和前景介绍[5,6],也有文献对该技术在某一领域的成功应用进行了介绍（例如产品设计快速模具）[7],另有文献对Dimension三维打印工作原理、步骤,以及常规的三维打印应用技术和后处理方法进行了介绍[8].目前公开的有关Dimension三维打印文件资料主要关于概念介绍和应用推广,明显落后于三维打印的应用实践,对如何提高Dimension SST三维打印的质量和效率,优化模型后处理,还缺乏经验总结和理论概括.

2.Dimension三维打印应用方法优化

Dimension SST三维打印机是美国Stratasys公司的产品,即使是世界最大的快速成型设备制造商的主流产品,若设备维护不佳,Dimension打印机运行也会很不稳定,因此要非常注重机器日常维护,保持挤压头的清洁,同时打印过程合理地进行设置参数,注意掌握成型技巧,打印结束后科学地进行后处理,这样才能提高模型的打印质量,缩短打印时间.

2.1 机器维护和预处理

设备维护良好的的状态下,Dimension SST打印机在打印过程中出现故障的概率很低,但如果成型室散布了过多的碎屑,或线状材料与金属喷管接触的地方堆积的材料过多,甚至用锡纸包裹的打印加热头内堆积了较多的支撑材料,那么如不对堆积的材料进行清理,将导致打印机无法正常启动,或打印过程中突然死机,导致正在成型模型半途而废,浪费时间和材料.成型室的碎屑用毛刷便可集中清理,线状材料与金属喷嘴接触处的堆积材料在预热状态下软化,可用厂家配送的尖嘴钳取出,而清理打印加热头堆积的支撑材料,需先用六角板手卸载其正面的四个螺丝,将加热片取出后用尖嘴钳清理,如果支撑材料已经冷却难清理,可以用碱性溶液（如氢氧化钠溶液）彻底融化其上残留的支撑材料.

Dimension SST三维打印机启动和预热时间在20分钟以上,如不了解支撑和模型材料的质量,以及打印喷管的维护状态,则需先设置材料预热和喷射,所耗时间更长.为节省材料预热和预喷射的时间,需要保证模型和支撑材料的质量.按厂家规定,模型材料和支撑材料盒理论使用年限均在1年以内―1年以上容易受潮或老化（实际模型材料不易受潮,可正常使用时间稍长）.对于高校这样使用频率不高的教学科研机构,一次购进的材料通常1年内用不完,针对这一问题,我们学校购进恒温恒湿保藏箱,将未用的模型材料和支撑材料盒,以及每次使用后从机器中取出的支撑材料盒,放到保藏箱进行保存（使用中的模型材料盒没必要放进去）,发现存放4年多的带塑料包装袋的模型材料盒以及使用了2年多的支撑材料盒,都能正常使用,避免了材料浪费,减少了打印喷头维护的工作量,节省打印前机器调试时间.

设置材料挤压喷射目的是检查喷嘴工作状态：对于模型料喷嘴,主要检查喷嘴管是否堵塞,对于支撑料喷嘴,除了喷嘴管是否堵塞,还要检查支撑材料是否受潮.喷嘴是否堵塞比较好判断,在维护（Maintenance）状态下选择打印机加热（Head Maint）,接着选择预喷射材料的驱动器（Select Driver）,按住喷出（Forward）,如果不能喷出,说明喷嘴堵塞了,这时候并不一定要更换喷嘴,多数情况是上次成型后喷管里面残余材料,冷却凝固后造成堵塞,此时可以关闭成型室的通风（控制面板按Blow off）,这样打印头的温度在数秒时间内会急剧上升,可以将喷管的残余材料熔化而使喷管重新畅通,如果一次没有效果可以反复进行多次（在按住Blow off机器停止通风数秒后会恢复通风）.如果支撑料喷嘴喷出的丝线存在明显浅色的水泡,一般有两种处理办法：（1）控制面板中按下Forward,持续喷出支撑材料直到喷出的是深褐色没有水泡的均匀支撑材料；（2）如果发现喷出的材料都有水泡,那么说明支撑材料已经完全受潮,唯有更换支撑材料盒. 2.2 模型优化和预设置

Dimension SST三维打印核心技术仍然是熔融沉积技术（FDM）,先将3D实体或面体数据文件转化成STL格式,才能被机器自带的Catalystex软件识别并分层.STL格式是三角形面片,当原始模型存在自由曲面或者圆弧面时,转换后的STL模型在外形上并不同于原始模型,前者只能通过连续的平面小三角形面片尽可能地拟合后者.在原始模型转换设置时,公差设置得越小,转换后的STL模型三角形片体就越小,STL模型就越接近原始模型.所以为了保证最终打印的物理模型忠实于原始数据模型,对于各个面都是平面的原始模型,可以设置一个比较大转换公差；而对于存在自由曲面或圆弧面的原始模型,应该选择最小的转换公差.例如UG5.0以上版本UG模型转换成STL格式时,可以设置0.0025的三角形公差和相邻公差；对于Pro/E软件环境,则可以将转换控制中的“弦高”改为0.01.

STL格式模型文件导入打印机自带Catalyst软件后,设置选项,根据模型放置的坐标,通过计算,获取平行于放置面的模型切片的数据,使三维模型转换成可以用二维“薄片”堆积的模型,成型的时候喷嘴会沿着二维切片的路径喷出细丝.Dimension SST 1200型三维打印机喷射的细丝直径最小可以设置为0.025mm,因此理论上模型壁厚最小可薄至0.025mm.实际上根据笔者多次实验,打印机能够打印并满足基本的形状、装配和功能实验的模型,其平行或垂直于切片的平面,以及轴线垂直于切片的圆弧面,其成型厚度不得低于0.8mm,如果是其他平面、圆弧面或自由曲面,成型厚度不能低于1.5mm.如果模型壁厚太薄,模型细丝覆盖的地方很可能存在孔隙,强度不足.如果数据模型存在的尖锐的边,成型的时候根本无法实现.因此,在参数化三维软件中,最好保证数据模型壁厚在1.5mm以上,即使是定位孔的壁厚,也应该在1mm以上,修改模型已存在尖锐边（例如塑料件卡扣边）.如下图就是数据模型存在尖锐边的处理办法.

物理模型成型表面质量和消耗时间与Catalyst软件中STL模型放置坐标方位有关,根据经验总结如下：就模型表面光滑程度而言,平行或垂直于切片的平面,以及轴线垂直于切片的圆弧面（圆柱面）表面光滑程度较高,其他表面比较粗糙；就是否与支撑材料的接触而言,同样性质的面,与支撑料接触的面比较粗糙,不与接触材料接触的面比较光滑；前一个因素对表面光滑程度的影响要超过后一个因素.成型时间比较复杂,Catalyst软件中设置打印并发送数据后才可以预见成型时间,进行比较选择需要重复设置,效率较低.笔者通过长期实践,总结成型时间耗费规律：模型内部设置“实心”的条件下,喷嘴模型料和支撑料喷射切换的次数越少（同一切片层既有模型料又含支撑料需喷射切换）,耗费时间越短；如果Catalyst软件计算模型不存在既有模型料和又有支撑料的切片层,由于相同模型不同放置方位消耗的模型材料的量接近,所以支撑料消耗小的放置方位成型速度稍快；Catalyst软件中STL模型放置方位应该综合考虑模型强度、成型表面质量、时间和材料消耗量（支撑材料消耗量有差异）,一般优先考虑功能强度,其次考虑表面光滑程度,再兼顾如何节省时间和材料,如图3、图4所示.

模型在成型托板上的放置位置也影响成型时间,如果位置靠近托板的内侧（距离铜刷较近）,那么喷嘴移动的路径比较短,也可以节省成型时间.

*左右图是同一模型,左图摆放方式消耗的支撑料比右图多6立方厘米,但由于右图的摆放方式同时具有支撑料和模型料的切片层数量远比左图多（高）,即喷嘴切换消耗的时间多,右图摆放方式成型需要消耗的时间比左图多1个小时（需3小时35分）.

*图4是图3两种不同放置方式的成型效果,其中左图方式成型时间短,但如果模型是功能零件,其受力F的方向和喷嘴运动路径（Path）相同或相反,且单向运动行程短,则该处强度很低,容易破损,如左图中有一处已经破损；右图喷嘴运动路径（Path）垂直于受力方向,该处的强度是非常理想.因此,如果该模型是需要受力的,即使成型时间要多1个小时,仍然应该采用图3右图的放置方式成型.

2.3 模型打印和后处理

Catalyst软件中模型设置妥当以后,在打印机控制面板上按开始成型（Start model）,打印机就开始模型打印,这时一般不需要操作者做太多的事情,只需要注意是否有残余的材料长期留在喷嘴附近,或者是否有深褐色的细碎支撑材料以及已经烧焦的材料留在已经建立模型上,增加已经部分成型的模型表面粗糙度,如果有,表明喷嘴保护套已经磨损,这时需要立即停止打印,关闭电源,冷却机器,卸下老的喷嘴保护套后,将新的喷嘴保护套推入至喷嘴（保护套被推进至喷嘴后即被锁上）.

成型完成后去除支撑材料一般可以通过支撑板的弯折、敲击以及擦刮等方式,借助尖嘴钳和小型镐分离支撑材料和模型材料,但很多情况这种方式剥离得并不彻底,这时注意不应利用工具进行强行剥离,以免损坏已成型模型,可以将模型放置到超声波清洗机碱性（氢氧化钠）溶液中,以溶解支撑料（对模型料没有影响）.笔者实验发现,开超声波清洗比不开超声波清洗,热水比冷水,碱性浓度高比碱性浓度低清洗时间更短,更彻底.

剥离了支撑材料的模型表面仍然比较粗糙,这是许多追求真实产品表面效果的人不认同Dimension三维打印的原因,其实,只要后处理得当,三维打印模型完全能达到真实产品的表面质量.处理的方法是先在工件表面涂原子灰,将工件烘干后用细砂纸打磨工件表面,再清洗干燥,在工件表面喷底灰,用双星灰对工件表面进行修补、打磨,干燥后喷漆,最终效果非常接近实际产品表面效果.

3.结论

Dimension SST三维打印机在中国的应用已经多年,存在不少资深且具有丰富使用和维护经验的打印机操作员,但未见其应用技术整理成文献资料发表,仅仅依靠厂家提供的《使用者手册》无法获取提高打印效率和质量的方法.打印机操作实践和理论总结表明：高效应用Dimension打印机的前提是机器的精心维护和科学的预处理,提高模型打印效率和质量的关键是充分运用模型优化和预设置方法,保障模型获得理想的表面效果则需要监控打印过程,细致进行后处理.