李国超 刘袁禄 贾晓雷
河北智取科技有限公司 河北省 石家庄市 050000
摘要：3D打印技术我国科学技术不断进步与发展衍生的一种新型制造技术，当前受到全球各个领域的高度重视，然而其自身的打印速度可以对3D打印技术的发展造成严重制约，鉴于此，本文主要针对影响3D打印速度的因素进行分析，然后指出提升3D打印速度的有效措施。
关键词：提升速度；3D打印速度；影响因素
一、3D打印速度的影响因素
3D打印的原理具有较强的复杂性，一整套工件被完好无损的打印出来，其耗费的时间与3D打印头的挤出速度、移动速度、支撑材料的设置、3D打印机使用成型技术及扫描路径等之间具有紧密关系。本文主要从以下几个方面对影响3D打印速度的影响因素进行深入分析：一是打印头移动速度。3D打印头的移动速度与回程时间呈反比关系，如果打印头的移动速度越快，其回程时间就会越短，并且还可以提升打印效率；如果打印头速度太快，当突然转向时，就会出现相应的振动，导致打印件表层出现回环，对打印的精准度造成直接影响。二是挤出速度。挤出速度能够对材料流量产生直接影响，如果打印头的挤出速度越快，在相同时间中就会积累更多的膏体，同时还可以加快成型速度。三是支撑材料的设置。支撑材料在模型悬空位置发挥着至关重要的支撑作用。模型主要是由长又缓慢的打印线条轨迹组合而成，使模型打印过程中的完好性和平稳定得到有效保障，确保打印过程中模型结构不会出现错位、移位等情况，为顶层隔空结构的正常成型提供保障。支撑材料和其他任务因素相比，可以对3D打印时间造成直接影响，由于支撑方法不同，所以会对打印时间造成不同的影响。四是扫描路径。扫描路径指的是在打印每一层轮廓中增加一些填充线，通过对激光头进行控制，可以按照一定顺序连接这些填充线。科学合理的填充路径计划能够减少打印时间，节约更多的打印材料，进而使模型的打印质量得到保障，提高打印速度。五是成型技术机制。3D打印成型技术包含各种各样的类型，如：立体光固化、熔融沉积式、三维喷墨及选择性激光烧结等，由于成型方法不同，使用材料的差异，所以其成型速度与精准度同样存在较大的差异。
二、提升3D打印速度的策略
（一）完善3D打印设备
3D打印速度和打印设备存在密切联系，打印机的打印辔头数量、设备结构和打印机总体的结构规格都可以对3D打印速度产生直接影响。为了更好的解决3D打印速度慢、效率低的问题，需要科学合理的设计打印设备的构型与打印头运动控制。打印设备可以从以下几个方面进行完善：一是改进打印喷头。通过改善打印喷嘴的流速，可以将螺旋设备增加到传统打印头上，使用螺旋结构替代以往的FDM打印头的标准“空转轮”结构，提高材料的挤出压力，同时在打印头周边增添激光器，以便于快速熔化塑料，让其可以得到更快的进料速度，这个结构的打印速度高于常规FDM桌面级的十倍。二是增添打印喷头。通过在打印机上增添数个喷头组件，每个喷头组件当中包括单独送丝的喷头，能够在运动部门中单独运动，每个喷头可以同时打印多个材料，可以随意转换支撑材料与模型材料，使用多喷头的并行打印，能够迅速加快模型的成型速度，最终使3D打印的效率进行充分发挥。三是多自由度进行3D打印。打印设备可以将大转动空间的并联机构当作基本结构类型，经过教练动平台链接提升打印头的自由度，以便于促使打印头可以从多个角度进行转动，将以往顺着Z轴方向单一加工方法逐步改变为材料顺着多个方向累计成型的表面，以便于处理打印头和工件干涉存在的问题，最终使打印速度得到大大提升。
（二）优化控制策略
因为3D打印的流程首先使用计算机将3D模型的数据格式进行转变，接着分层、填充与支撑数据模型，最后分层打印。所以，不一样的填充路径、分层方向等都会对打印效率与打印质量造成直接影响。本文主要从以下几个方面进行优化控制：
一是完善扫描路径。通过对等距偏置扫描式、星形扫描式、往复平行扫描式及分形扫描式等四种3D打印路径进行比较，对物体模型表面质量与物体边界特点等参数对填充速度产生的影响进行深入分析。通过采用Voronoi图的多边形路径填充算法解决复杂多连通多边形，利用构造对Voronoi图进行单连通多边形，然后整合各个分区，填充路径规划，以便于对欠填充与过填充等情况进行处理，这样在一定程度上可以减少路径规划的计算时间。
二是完善支撑结构。结合3D打印机的精准度，体素华处理模型，依据体素层之间互相支撑作用模拟打印过程。融入支撑能量的概念与计算方法，对提速支撑能量进行详细计算，依据提速支撑能量的大小使用最佳的支撑结构，以便于节省更多的打印时间。另外，可以将水溶性树脂当作支撑材料，打印好模型之后可以把水溶性树脂直接溶入水中，减少了支撑材料的脱离时间，还可以使零件的打印效率得到大大提升。
另一方面，还可以使用六自由度UR机器人实现3D打印过程，经过从粗至细阶段分离和规划算法，可以把具有复杂性的三维模型使用平面划分为不需要支撑的附属模型，采取约束细分的方法平面分割不符合支撑条件的附属模型，最后达到无支撑打印的目的，这样可以略去支撑材料的打印与后处理过程，从而提升打印速度。三是改进模型成型方向。目前成型方向可以凭借自己的经验加以选择，具有超强的主观性，在一定程度上降低了成型效率，这就需要构建单目标完善模型或者是通过多目标完善模型展开优化求解，最终可以智能选择零件成型的方向。
结论
现如今，对于优化3D打印速度的方法具有多样化的特点，同时获得了很大的成就。对于今后增加材料与减少材料一体化制造的形势，依然需要逐步优化3D打印设备、软件算法及3D打印成型方法。虽然从控制手段方面使用多样化的优化算法加快了3D打印的速度，但是3D打印速度的完善依然不够明显，还不能使工业的要求得到满足，依然需要加强探究。与此同时，研发新型的3D打印成型方法，同样是今后研究的主要话题。伴随着3D打印新材料、新工艺的不断进步与发展，3D打印技术会为我国的长远发展提供有力支撑。
参考文献
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