打印参数对挤出式3D打印效果的影响.pdf

128中国高新科技2023年第14期电子信息ELECTRONICINFORMATION打印参数对挤出式3 D打印效果的影响戚玉苏州大学纺织与服装工程学院，江苏苏州2 15 12 3摘要：3 D打印技术近年来在世界范围内得到了越来越多的关注，并且已经应用在医疗、机械、航天等重要领域。文章主要介绍3 D打印的基本原理和主要成型工艺，针对挤出式3 D打印机，探讨了打印针头的种类、打印压力、打印速度、切片层厚等主要打印参数对其打印效果的影响。关键词：3 D打印；挤出式；打印参数文献标识码：A中图分类号：TS941文章编号：2 0 96-413 7（2 0 2 3）14-12 8-0 3D0l:10.13535/ki.10-1507/n.2023.14.39Effect of printing parameters on extruded 3D printing effectQIYuCollege of Textile and Clothing Engineering Soochow University,Suzhou 215123,ChinaAbstract:3D printing technology has attracted more and more attention in the world,and has been applied in medical,mechanical,aerospace and other important fields.This paper mainly introduces the basic principle and main molding process of 3D printing.Forthe extruded 3D printer,the influence of the printing needle type,printing pressure,printing speed and slice layer thickness is discussedontheprintingeffect.Keywords:3Dprinting;extrusiontype;printingparameters3D打印（3 D-printing）技术起源于2 0 世纪8 0 年代，是一种基于计算机设计数字三维模型文件，实现原型设计到原型制作的增材制造技术。近年来，3 D打印技术已广泛应用于医疗、机械、航天、建筑等领域。3 D打印的建立依赖于大量的打印参数，对于一种新材料来说，必须进行一系列试验来找到最合适的参数。本文主要介绍不同打印参数对3 D打印效果的影响。13D打印的基本原理和分类3D打印技术的基本原理如下：首先通过计算机和建模软件设计和构建所需的数字三维模型文件；然后计算机将数字三维模型根据工艺要求进行分层，得到多层二维截面，获得每层的二维打印路径；最后选择合适的打印材料和参数，在二维数字路径的驱动下，打印机逐层打印、层层堆积最终得到三维实体。3D打印的设备通常是根据其成型工艺进行分类，目前主要有光固化成型、分层实体制造、熔融沉积成型、选择性激光烧结、选区激光熔化、立体喷墨打印、电机挤压成型气动挤压成型等。其中，熔融沉积成型和电机挤压成型气动挤压成型是基于喷嘴挤出式3 D打印体系，在生物3 D打印技术中，挤出式3 D打印应用广泛，具有打印速度快、灵活性好、易于操作等优点。本文以德国EnvisionTEC3D-Bioplotter挤出式3 D打印机为例，探讨不同打印参数对挤出式3 D打印效果的影响。2不同打印参数对打印效果的影响2.1打印针头的种类按照打印针头的断面形状，一般有锥形针头、短直针头、长直针头3 种，如图1所示。（a）锥形针头（b）短直针头（c）长直针头图13种不同种类打印针头的断面图对于高粘度的材料，一般采用锥形针头和短直针头。长直针头由于其细长的针头长度，能提供更高的摩擦力，因此，适合低粘度材料的打印。除了针头的形状，针头自身的材料也很重要，打印针头在打印过程中必须保持稳定的状态，因此，在温度40 以上应使用金属针头，为减少打印材料粘附在针头内部可以使用特氟龙针头等。2.2打印针头的长度打印针头的长度对于打印过程很重要，因为它与打印材料的粘度密切相关。低粘度材料一般使用细长针头打印，而高粘度材料则用短或锥形针头打印。否则打印材料会被挤出得太快或太慢，而使整个打印过程无法控制。对于不可压缩流体在直径不变的针头中，哈根泊肃叶公式给出了材料粘度、针头半径和针头长度之间的关系，具体见式（1）：2023年第14期中国高新科技129ELECTRONICINFORMATION电子信息V=TXxAPxA8xnxL(1)式中，r是针头半径；L是针头长度；n是材料的粘滞系数；p是压力差；t是时间；V是打印材料的体积量。从公式可以看出，打印材料的体积流量（dV/dt）与打印针头的长度L成反比，即在其他条件相同的情况下，打印针头越长，挤出的材料体积流量越慢。2.3打印针头的内径打印针头的内径决定了挤出线条的粗细，也就是最终样品的精细程度。从式（1）可以看出，打印材料通过的流量与针头半径的四次方成正比，这就意味着针头越细，材料挤出的流量越小，打印时间就会大大加长。2.4压力压力与通过打印针头的材料流量、挤出速度成正比，打印压力一般根据材料硬化的速度进行调整。对于硬化速度慢的材料，压力就要低，使材料的挤出速度变慢，从而给材料更长的硬化时间，同时在打印针尖的作用下，能固化成更细、更圆的线条。如果材料的挤出速度比它的硬化速度快，在硬化期间由于材料自身重量的影响，打印线条会变得宽扁。对于硬化速度快的材料，挤出压力就要相应增大，使打印材料的挤出速度变快，这样打印材料在完全硬化前还能保持一定的粘着性与前一层的材料相粘合，从而保证最终样品的整体性。2.5打印速度打印速度是打印时针头相对于打印平面的移动速度。打印速度要根据材料的挤出速度来调节，两者通常有3 种情况，如图2 所示。(a）打印速度（b）打印速度=挤（c）打印速度挤出速度出速度挤出速度图2打印速度与材料的挤出速度的不同关系当打印速度相对于材料挤出速度过慢时，从针头打出的线条不能及时平铺到前一层上从而发生挤压弯曲或膨胀（见图2 a），这种情况下可以通过提高打印速度或降低打印压力来解决。当打印速度相对于材料挤出速度过快时，线条在接触前一层之前就由于针头的快速移动而被拉伸变形，之后才会叠加到前一层材料上，这样通常会导致线条被拉成水滴状而不是圆形（见图2 c），这种情况下可以通过降低打印速度或提高打印压力来解决。当打印速度与材料挤出速度相匹配时，打印线条在离开打印头后可以立刻叠加在前一层上并与之粘合，线条只发生轻微形变（见图2 b），这种是最理想的情况。2.6层厚层厚就是三维模型在打印前进行切片时的切片厚度，层厚直接影响层与层之间的粘合方式，如图3 所示。如果层厚太大，两层之间就会有空隙，随后在重力的作用下两层线条呈现相切状或者轻微粘合的状态，两层之间就会因为连接不充分导致最终样品不牢固（见图3 a）。层厚太小，则两层之间就会发生过度重合而导致大的形变，影响样品的孔隙结构，甚至过低的层厚会导致针头与前一层的材料发生碰撞而产生形变（见图3 c）。因此，层厚应设置为稍小于线条的直径，两层之间仅发生小部分粘合，这样得到的样品有比较好的连接性和整体性（见图3 b）。一般层厚设置为打印针头内径的80%为最佳值。（a）层厚过大（b）层厚稍小于（c）层厚过小线条直径图3不同层厚与线条直径之间关系断面图2.7前挤出延迟和后挤出延迟前挤出延迟是指打印开始时，打印压力开始施加在料筒内但针头暂时不移动，等材料从打印头中流出后才开始移动。前挤出延迟主要是针对粘度极高、难以挤出的材料。具体时间则根据实际打印效果来设定，具体影响结果如图4所示。如果前挤出延迟时间太短，打印线条在开始处就会出现空缺（见图4a），时间太长，则开始处会形成材料堆积（见图4c）。130中国高新科技2023年第14期（责任编辑：肖央然）电子信息ELECTRONICINFORMATION（a）前挤出延迟（b）前挤出延迟（c）前挤出延迟太短正常太长图4前挤出延迟时间对实际打印效果的影响后挤出延迟是指每层打印结束前，在打印头停止移动前先停止施加压力，这样是为了防止高粘度的材料在每层末端拉丝而形成一个大的结块，这时设置的时间是负数值。具体时间则根据实际打印效果来设定，具体影响结果如图5 所示。如果后挤出延迟时间太短，打印线条在结尾处就会出现空缺（见图5 a），时间太长，则结尾处会形成材料拉丝结块（见图5 c）。（a）后挤出延迟（b）后挤出延迟（c）后挤出延迟太短正常太长图5后挤出延迟时间对实际打印效果的影响2.8内部结构设计在打印前需要对打印模型进行内部结构设计，例如设置相邻线条之间的距离、内部结构拐角处与边框的距离，如图6所示。内部结构拐角处与边框的距离线条之间的距离图6内部结构设计如果相邻线条之间的距离是线条直径的8 0%，此时线条之间是部分重叠的，这样打印出来的样品没有孔隙；如果相邻线条之间的距离大于线条直径的5 倍，后面一层的线条就容易塌下来；一般来说，相邻线条之间的距离设置为线条直径的2 倍比较理想，此时整个样品的孔隙率和机械性能都比较好。此外，内部结构与外边框之间的距离如果过大，外边框将无法与内部结构连接，失去整体性，一般内部结构与外边框之间的距离不能超过线条的直径大小，这样两者才能相互连接，保证最终样品的整体性。3结语挤出式3 D打印机的打印参数对最终的打印效果有很大影响。要根据打印材料的粘度、温度以及打印的精细度来选择打印针头的种类：根据材料的硬化速度设置打印压力：打印速度必须与材料的挤出速度相匹配；层厚建议设为打印针头内径的8 0%；对于粘度大、易拉丝的材料可以设置前后挤出延迟时间；合理设计打印模型的内部结构。想要得到理想的3 D打印样品，对这些主要的打印参数进行分析试验必不可少。作者简介：戚玉（1991-），女，江苏扬州人，苏州大学纺织与服装工程学院助理实验师，研究方向：生物材料及大型仪器设备管理。参考文献1王延庆，沈竞兴，吴海全3 D打印材料应用和研究现状J航空材料学报，2 0 16，3 6（4）：8 9-98.2】毛宏理，顾忠伟生物3 D打印高分子材料发展现状与趋势J中国材料进展，2 0 18，3 7（12）：949-96 9，993.3金立明，赵子龙，焦熙栋，等不同打印条件的鱼糜3 D打印成型效果分析J.现代食品科技，2 0 2 0，3 6(5):214-222.4辛艳喜，蔡高参，胡彪，等3 D打印主要成形工艺及其应用进展J精密成形工程，2 0 2 1，13（6）：15 6-164.5姜雨淋，王卉，张克勤生物3 D打印用丝素蛋白基凝胶墨水的研究进展J纺织学报，2 0 2 1，42（11）：1-8.6黄文华生物3 D打印在器官再造中的前沿热点和研究进展J器官移植，2 0 2 2，13（2）：16 1-16 8.7张景添。丝素蛋白基生物墨水的制备及3 D打印技术的研究D上海：东华大学，2 0 19.8】陈鹏华.基于MAM和PAM的多喷头3 D打印系统研究D武汉：华中科技大学，2 0 17.