桌面级熔融沉积成型是快速成型技术的一种。快速成型技术实现了从零件的三维曲面设计到实体的一体化制造，是继数控技术之后制造业的又一次重大革新[1].快速成型技术实现了材料的增加成型。目前快速成型技术已广泛应用于汽车、航空航天、建筑、医疗、文化艺术及制造行业等领域，并取得了显着的效果。
快速成型技术出现后就以其全新的制造思想、快速的产品设计制造、样式多变的产品模型受到很大的关注。目前的快速成型技术主要包括： ①光固化技术（Stereo Lithigraphy Apparatus,SLA） ,利用液态光敏树脂在一定波长和强度的紫外光照射下迅速发生光聚合反应，分子量急剧增大，材料从液态变为固态； ②选择性激光烧结技术（Setected Laser Sintering,SLS） ,在计算机控制下，利用激光束对粉末材料进行扫描加热烧结成型； ③熔融沉积成型（Fuesd Depostion Modeling,FDM）[2],通过熔融沉积成型机控制喷头将熔融的热塑性高分子塑料按预定代码在工作台上逐层堆积成三维原型。
桌面级熔融沉积成型可实现单个物件的快速制造，可加工形状复杂的平面和立体造型，并且具有选材广泛、废料少、污染小、制造环境要求低、后处理简单等优点，使其成为快速成型技术中非常具有发展潜力的一个分支。熔融沉积成型适用于形状复杂零件的小批量快速制造，与传统的模具制造相比，降低了产品的生产成本，缩短了生产周期，使新产品能更快地投入运转、测试和改进设计[3],大大地提高了生产效率。
1 桌面级 FDM 的成型过程
桌面级 FDM 成型过程可分为： ①三维模型的制造。通过三维软件设计出所需产品的三维 CAD 模型，也可以通过所需产品的二维模型转换成三维模型，或对所需的产品进行三维扫描，得到点云数据，转换成三维数据。②产品成型。由于 STL 格式简单实用已成为快速成型领域的通用接口文件。STL 格式是通过无数的小三角形近似的代替原模型，将所需产品的三维模型转换成 STL 格式文件保存。在将产品的 STL 格式文件通过熔融沉积成型系统自带的文件进行分层切片处理，通过计算机或 SD 卡将每一层的切片信息传递给快速成型机，并通过控制快速成型机制作所需产品。③后处理。零件成型后，去除成型时所需的支撑和附着物，就得到所需的模型，也可根据模型所需的要求对成型件进行抛光、打磨等[4].
桌面级 FDM 成型是将已建好零件的三维模型通过计算机调整其成型位置，并通过切片软件将三维模型在其零件成型的竖直方向按一定厚度分层处理，从而得到一系列的代码信息，通过成型机控制喷头的行程路径。在零件的成型中，从喷头中挤出熔融的丝堆积在工作台面成实体模型。图 1 为桌面级 FDM 成型机工作原理示意图。
2 工艺参数对桌面级 FDM 成型精度的影响
成型精度和表面质量是 FDM 成型的重要参考指标。在 FDM 成型过程中，误差主要是由于 FDM 成型设备的工艺参数的选择不合理造成。本文以闪铸桌面级成型机为例，如图 2 所示，说明工艺参数对成型精度的影响。
2. 1 喷嘴温度和成型室温的影响
喷嘴温度和成型室温度对桌面级 FDM 成型有很大的影响，由于桌面级 FDM 成型采用的材料一般为ABS 或 PLA,所以喷头温度对材料的粘结性能、堆积性能和丝材流量都有很大的影响。喷嘴温度太高时，成型材料处于熔融状态，熔融丝的挤出量过快，难以控制其成型精度，并且在成型堆积过程中容易出现坍塌、烧焦和制品发黄等问题； 当喷头温度过低时，挤出材料的黏度增大，容易堵塞喷头[5-6],降低了喷头和成型机器的使用寿命。成型室的温度对桌面级 FDM 成型过程中材料的内应力有很大的影响，温度过高时，成型件的表面容易起皱； 温度过低时，从喷头挤出的丝在成型过程中冷却速度过快，热应力增大，造成零件在成型过程中出现上下层粘结不牢固、翘曲等现象。图 3 所示为室温过低时零件出现的翘曲现象。本文中采用的ABS,其成型最佳温度为 200 ~ 220 ℃ .
2. 2 挤出速度和填充速度的影响
挤出速度是指熔融的丝材从喷头挤出的速度，而填充速度是指喷头扫描工作台横截面轮廓的速度或填充网格的速度。因此，要保证丝材从喷头连续稳定的挤出，就要把挤出速度和填充速度进行合理的搭配，成一定比例关系。当挤出速度与填充速度相比过快时，容易造成熔融的丝材堆积在喷头难以工作，并在零件上形成疙瘩，对其表面质量造成影响。当挤出速度与填充速度相比过慢时，从喷头挤出的熔融丝材过少，难以成型，造成断丝等现象[7].
由于桌面级 FDM 成型机是由皮带轮传动工作，当挤出速度和填充过快时就会出现零件上下分层的层偏移现象，如图 4 所示。
2. 3 分层厚度的影响
分层厚度即桌面级 FDM 成型机在进行代码转换对零件切片时的竖直高度。在制作零件时，如果零件侧面有斜面，分层厚度太大，在其斜面可以看到明显的台阶效应，有明显的粗糙感，影响零件的表面质量和精度。当分层厚度较小时，零件的表面质量和精度会得到相应的提高，但得到的相应切片较多，打印层数增多，所需的打印时间也大大增加，因此对于精度要求不高的模型，可以相应的增大分层厚度，通常取 0. 15 ~0. 30 mm[8-9].
只有通过选择合理的工艺参数，才能得到无偏移、无疤痕的完美3D 模型。图5 所示为成型的茶壶工艺品。
3 桌面级 FDM 成型的彩色成型
目前，关于桌面级 FDM 成型的双色及彩色成型也已成为现在桌面级成型机的一个研究热点。随着快速成型技术的飞速发展，双喷头及多喷头已应用于桌面级 FDM 成型机，制作出的模型已不再是传统的单一颜色，这为桌面级打印机在建筑、艺术、模型制作等行业的应用提供了更好的前景。
在桌面级 FDM 的双色成型过程中，2 个喷头交替工作，并且模型成型不需要支撑，由各个喷头挤出的成型部分互为支撑。而彩色成型是通过混合墨盒里的 5种颜色打印原料，得到各种不同颜色的打印材料，进而通过软件生成不同的代码，得到相应颜色的成型件。
双色打印不仅对成型过程有了更高的要求，同时在用 CAD 建模时也不同于单色成型，必须使用统一的坐标系。桌面级的 FDM 彩色成型也能更好地应用于逆向工程，结合三维扫描仪的使用，能在很短的时间内生产出所需要的彩色模型。
4 桌面级 FDM 成型的发展
桌面级 FDM 成型已经有了快速的发展，但仍有很多提高的空间，如中小批量的生产及精度不高等问题仍严重制约着桌面级快速成型机的应用[10].文章就打印过程中的一些经验对桌面级成型机的改进提出了一些建议： ①零件成型过程中出现断电等情况。断电后成型机就会停止工作，就其成型过程中可以采用电脑自动记录其工作步位，以便可以断电后继续原来的零件成型部位继续成型。②零件成型中可采用多喷头而使用不同材料。使用同一种材料成型在后处理工程去除支撑时，总会对零件表面造成不同程度的损害，而采用多喷头在打印零件支撑时采用水溶性或容酸性材料，可以更好地进行后处理，以保证零件的表面质量。
5 结语
根据工艺参数的选择在 FDM 成型中出现的表面质量和精度问题，本文进行了分析，这对今后制作模型时正确选择合适的工艺参数有一定的帮助。同时，彩色成型也是桌面级 FDM 研究的一个热点，本文对桌面级 FDM 成型机的成型原理和彩色成型建模时的要求做了介绍。根据自己的经验对桌面级 FDM 成型机改进进行了预测，对桌面级 FDM 成型机的改进和发展提供了一定的参考。
参考文献：
[1] 龙得洋，李名尧，石然然。 基于 CAD/FDM 的桌面打印机的应用[J]. 塑料科技，2013,41（12） :76 -79.
[2] 谭永生。 FDM 快速成型技术及其应用[J]. 航空制造技术，2000（1） :26 -28.
[3] 罗晋，叶春生，黄树槐。 FDM 系统的重要工艺参数及其控制技术研究[J]. 锻压装备与制造技术，2005,40（6） :78 -80.
