单元 4
FDM 3D打印成形应用实践

单元目标

1.了解熔融沉积成形（FDM）的基本原理。

2.熟悉熔融沉积（FDM）打印机的基本构造和模型制作过程。

3.能够运用FDM方法完成简单零件的 3D打印。

问题导入

英国格拉斯哥大学的学生团队JetX Engineering 自主设计研制了一款名为X-Plorer 1 的航空发动机，该发动机总长度 72 cm，风扇直径 26.15 cm，涵道比为 5 ∶ 1。

如图 1.4.1、图 1.4.2 所示为X-Plorer 1 发动机内部结构及外观结构。整个模型含有 800多个部件，但其中所有的非电气部件都是用普通的FDM 3D打印机制造的，总数量超过 260个。打印消耗的时间超过 1 800 h，消耗PLA和ABS线材超过 3 km。除了无法燃烧真正的燃料，X-Plorer 1 的每个地方都与真正的喷气发动机一模一样。此外，它还安装了复杂的电子系统。3D打印技术极大地拓展了人们的创造能力，“想到即实现”的设计理念可以让每个人都成为设计师。

认知学习

一、实验注意事项

①存储之前选好成形方向，一般按照“底大上小”的方向选取，以减少支撑量，缩短数据处理和成形时间。

②受成形机空间和成形时间限制，零件的大小控制在 30 mm×30 mm×20 mm以内。

③尽量避免设计过于细小的结构，如小于 0.2 mm的特征等。

④通过调节打印参数将单个零件打印时间控制在 4 h以内。

二、基于FDM方法的零件 3D打印

（一）实验目的

①了解熔融沉积成形（FDM）的基本原理。

②熟悉熔融沉积成形（FDM）打印机的基本构造和模型制作过程。

③通过现场学习及实践加深学生对 3D快速成形工艺的理解。

（二）实验要求

①利用三维建模软件对零件进行建模，利用切片软件对零件进行切片，确定零件摆放方式、支撑方式以及工艺参数后生成STL文件。

②将STL文件导入FDM设备，对设备进行调平，开始零件打印直至零件 3D打印完成。

③观察快速成形机的工作过程，分析产生加工误差的原因。

④对打印好的零件进行后处理，对打印质量进行评估，分析打印参数是否合理。

（三）3D打印机操作流程

3D打印机的参数设置见表 1.4.1。

①插上电源开机，检查屏幕是否启动。

②将材料装上打印机后把拆料的头放入进料口。

③将喷头温度升到 200 ℃ 后检查挤出和喷嘴是否正常。

④将喷头归零后进行调平。

⑤打开切片软件选择打印机型号。将模型导入，在切片软件上将喷头温度调到 200 ℃，平台温度调到 60 ℃。找到支撑将其打开，将支撑密度调整到 10%（不需要支撑的零件不用加）。找到填充密度调成 20%。

⑥切片后保存至内存卡上（保存的文件名不能有中文）。

⑦将内存卡安装回打印机，找到保存的文件，选中后开始打印。

（四）FDM成形零件工程图

FDM成形零件工程图如图 1.4.3—图 1.4.5 所示。

（五）实验报告

①根据所做原型件分析成形工艺的优缺点。

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②根据图 1.4.3—图 1.4.5 所示的三维图进行成形工艺分析（定义成形方向，指出支撑材料添加区域，成形过程中零件精度易受影响的区域）。

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③根据实验过程总结成形过程中对精度的影响因素（包括数据处理和加工过程）。

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拓展深化

德国知名设计公司DQBD在自行车车座的设计阶段想到了增材制造。增材制造除了可以快速、低成本地提供大批量、高精准度的生产级部件，这一技术帮助人们实现传统方法无法做到的个性化定制。

根据不同骑手的特定需求，DQBD通过软件将车座的几何形状与骑手的身体特征相匹配，3D打印成形半刚性、轻量化车座，而刚柔性区域相结合的特性为车座精确提供了所需的支撑和调整。这一独特的组合比传统注塑工艺成形的车座提供了更多的弹性和更高的舒适度，可减少骑手的疲劳感，将骑行舒适度推至全新水平。无须模具成本，使用 3D打印进行车座研发较注塑成形工艺可节约 18.5 万元。同时，交付时间也可从传统生产工艺的 3 ～ 6 个月缩短到 10 天左右。如图 1.4.6 所示为 3D打印的个性化自行车车座。

在生活和工作中有哪些东西或工具是无法直接购买到的，或者需要定制一个零件来满足人们的需求？

①在网上下载免费资源，打印一个属于自己的航空发动机模型。

②在网上下载免费资源，打印完成四旋翼无人机机械结构，DIY无人机。

③在网上下载机械臂三维模型，DIY一款机械臂。

④采用三维建模软件完成一个机构的设计并打印出来，解决生活中的小问题。

分析与评价

课后练习题

选择题

1.能添加到草图的几何关系中的是（ ）。

A.水平 B.共线 C.垂直 D.相切

2.目前FDM常用的支撑材料是（ ）。

A.水溶性材料 B.金属 C. PLA D. 粉末材料

3.不属于 3D打印原型件一般制作过程的是（ ）。

A.工件剥离 B.分层叠加 C.前处理 D.后处理

4.打印喷头的直径大小一般为（ ）。

A. 0.1 mm B. 0.4 mm C. 0.6 mm D. 0.7 mm

5. 3D打印前处理不包括（ ）。

A.构造 3D模型 B.模型近似处理 C.切片处理 D.画面渲染

6.关于点、线、面、体，下列说法错误的是（ ）。

A.体是面移动的轨迹 B.面是线移动的轨迹

C.线是面移动的轨迹 D.线是点移动的轨迹

7. STL文件格式是利用简单的多边形和三角形（ ）模型表面。

A.逼近 B.模拟 C.拟合 D.表示

8. STL格式由（ ）公司开发。

A. 3D Systems B. Stratasys C. CMET D. ReganHU

9.在对模型分层并添加支撑后，在每个层面上将包括（ ）信息。

A.轮廓和填充两部分 B.轮廓

C.填充D.什么都没有

10. 3D打印技术中用到的G代码主要有几类，分别是（ ）。

A.起始代码、加工代码和终止代码 B.一次性代码和永久性代码

C.一次性代码和模态代码 D.模态代码和永久性代码

11. 指令代表快速移动的是（ ）。

A. G0 B. G1 C. G28 D. G90

12. FDM设备制件容易使底部产生翘曲形变的原因是（ ）。

A.设备没有成形空间的温度保护系统 B.打印速度过快

C.分层厚度不合理 D.没有加底板 HBaGAeGiyq0An8ON/0pVu/rSwlJO+2DHGoHmeJoWbWIbDEhgv3jyyBMzfDC3uZBl