基于熔融沉积技术的对象结构数字预处理优化

摘要：摘要：熔融沉积成型（Fused Deposition Modeling, FDM）技术作为3D打印领域的重要分支，因其成本低、操作简便及材料适应性广等优势，在工业设计、产品研发及个性化制造中得到了广泛应用。对象结构的数字预处理优化是影响FDM打印质量与效率的

基于熔融沉积技术的对象结构数字预处理优化

杨智钦

（广西自然资源职业技术学院广西崇左 532199）

摘要：熔融沉积成型（Fused Deposition Modeling, FDM）技术作为3D打印领域的重要分支，因其成本低、操作简便及材料适应性广等优势，在工业设计、产品研发及个性化制造中得到了广泛应用。对象结构的数字预处理优化是影响FDM打印质量与效率的关键环节。文章系统探讨了FDM技术在初代鞋样设计中的应用优势，分析了数字模型结构设计、切片处理、打印参数设置及后处理等预处理环节的关键问题，并提出了相应的优化策略与参数设置建议。研究结果表明，通过模型简化、切片参数优化及工艺参数匹配，可显著提升FDM打印的成型精度与效率。

关键词：熔融沉积成型（FDM）；数字预处理；模型优化；切片参数；工艺参数；后处理

Optimization of Digital Preprocessing for Object Structures based on Fused Deposition Modeling Technology

YANG Zhiqin

(Guangxi Natural Resources Vocational and Technical College, Chongzuo 532199, China)

Abstract: Fused Deposition Modeling (FDM) technology, a pivotal branch of 3D printing, has garnered widespread use in industrial design, product development, and personalized manufacturing due to its cost-effectiveness, ease of operation, and versatile material compatibility. The digital preprocessing optimization of object structures plays a crucial role in determining the quality and efficiency of FDM printing. This article systematically explores the advantages of FDM technology in the design of initial shoe prototypes, analyzing key issues in the preprocessing stages, including digital model structure design, slicing, printing parameter settings, and post-processing. Corresponding optimization strategies and parameter settings are proposed. The research findings indicate that significant improvements in molding accuracy and efficiency of FDM printing can be achieved through model simplification, slicing parameter optimization, and the alignment of process parameters.

Keywords: Fused Deposition Modeling (FDM); digital preprocessing; model optimization; slicing parameters; process parameters; post-processing

基金项目：2023年广西高校中青年教师科研基础能力提升项目“FDM型3D打印加工质量的提升工艺改进研究”（2023KY1593）

作者简介：杨智钦（1990－），男，讲师，本科，研究方向为机械制造、数控技术。

0 引言

3D打印技术作为现代制造领域的重要突破，已广泛应用于逆向工程、产品研发、医疗模型及服装设计等多个领域[1-4]。其中，熔融沉积成型（Fused Deposition Modeling, FDM）技术因其设备成本低、操作简便及材料适应性广等优势，成为工业开发与产品设计领域的首选技术之一。FDM技术的核心在于通过数字化模型文件的精确控制，将热塑性材料逐层沉积成型，从而实现三维实体的快速制造[5]。本文以FDM技术为研究对象，系统探讨数字模型的结构优化、切片处理、打印参数设置及后处理等预处理环节的关键问题，并提出相应的优化策略与参数设置建议。本文的研究成果为FDM技术的应用提供了理论参考与实践指导，对推动增材制造技术的进一步发展具有重要意义。

1 FDM技术在初代鞋样设计中的应用优势

1.1 快速原型制作能力

FDM型3D打印技术能高效率地将设计雏形鞋样设计转化为初代实物模型，克服传统工艺局限性，同时能够更好地还原设计理念，配合产品测试和优化使用实际。缩短研发周期，提高新产品的上市战略效率。

1.2 设计灵活性与定制化潜力

基于数字化快速制作优势，3D打印技术受结构限制小，设计者可以多重结合个性化设计，设计出传统工艺难以实现的个性化结构。例如，耐克与3D打印公司Zellerfeld联手推出的AirMax1000鞋款，就应用了FDM技术打造的鞋面与中底设计。

FDM打印技术在制造行业应用未来可期，探索就如何对需要制造的数字模型进行合理的数字化和增材加工优化预处理，进行技术研究就很有必要。

2 FDM技术中数字预处理的关键问题

2.1 数字模型结构设计问题

数字结构预处理优化主要包括数据来源准备、部件建模、功能结构设计等环节。使用三维数字设计软件创建精确的三维数字结构模型，该模型将作为FDM成型的部件数字实体，进行模型数据化，生成数字块信息文件，确实保证信息的无误性和整体的统一性。

（1）数字结构设计与支撑：要在稳定对象功能性及外观的不缺失的同时，尽量减少结构的复杂性和细节，以减少成型难度和持续时间。需要针对设计合理的支撑结构，支撑设计是确保打印成功的重要环节，尤其是在打印复杂几何形状或悬空结构时。

（2）数字化模型尺寸控制：不仅要在设计阶段把零部件模型的尺寸数据确定，还要进行功能化完善。同时，不同的需求也要根据打印机的成型区域和精度目标，调整结构的大小，以确保模型能够成功打印也需要满足精度目标。

2.2 模型切片处理问题

在切片处理阶段，将三维模型分割成无数个薄层，每一层都对应一个二维的平面图，这就是分层。这些具有一定厚度的分层将作为打印指令的执行范围，按照计算出来的数据，指导打印机逐层构建模型。

（1）切片软件的选择与性能评估：根据打印机的型号和特性，选择适合的切片软件，不合适的软件处理出来的切片数据影响成型质量。市场的切片软件多样，要考虑主流或者边缘，对几款主流切片软件也要考虑他们的开源和闭源、功能特点、使用场景、用户评价等因素。

（2）切片参数调整：根据模型的特性和打印需求，调整切片参数，如分层厚度、填充形状、材料密度、打印速度等。这些参数将直接影响打印件的精度、强度和打印时间。

（3）打印路径规划优化：优化路径规划，减少打印过程中的空行程和重复路径，提高打印效率[6]。要考虑打印结构的复杂性，印模型通常具有复杂的几何结构，节点和边的数量庞大，这增加路径规划的复杂性。多种打印需求（如线框结构打印、连续纤维打印、熔融材料打印等）对路径规划有不同的要求。

2.3 打印参数设置问题

成型工艺参数的设定也是数字预处理的重要组成部分。工艺参数包括打印层高、成型移动速度、材料熔化温度等。

（1）喷头温度调节：根据材料的熔融温度和特性，调整喷头温度，以确保材料能够顺利挤出并附着在打印平台上。

（2）工作台温度与打印速度：工作台温度对打印件的弯曲和形变有很大关系。根据材料温感特性和成型需求，设置合适的工作台温度，以减少曲翘与形变。

2.4 后处理问题

（1）热处理影响：根据打印材料的温感特性，对打印完成的零件进行一定的收尾热影响消除处理，但熔融沉积更多的是保持温度缓慢冷却，以保持其形状不因冷却温差过大、速度过快而变形或失效，同时保证零件的强度和韧性。

（2）支撑去除与表面处理：打印完成后，及时去除支撑结构，以避免对模型造成损伤。去除支撑结构后还可以进行进一步的打磨和抛光处理以提高质量，对表面进行喷砂、喷涂或电镀等处理，以提高成型对象的美观和耐用性。

3 FDM数字预处理的优化与参数设置

3.1 数字模型结构优化

（1）模型分析与简化策略：使用CAD、CAE软件对三维模型进行分析，结合切片分析软件，对变形率大，但是对功能性影响不大的结构，可以予以识别并去除这些不必要的细节或特征，如小尺寸的倒角、圆角等[7]。通过拓扑优化技术减少材料使用量，保持结构的强度和刚度。使用专门的优化软件（如ANSYS、OptiStruct等）来进行拓扑优化[8]，进行精确的力学分析，从而优化设计和提高产品质量。

（2）支撑结构优化设计：根据模型的几何形状和打印方向，设计必要的支撑结构以支持悬垂部分。可以通过打印软件的自动支撑生成或可在设计环节手动添加支撑来实现。结合对象结构模型的打印需求，设计合理的支撑结构，以确保稳定性和精度。选用实用高效的支撑结构（树状支撑：适用于复杂几何形状，节省材料且易于移除。线性支撑：适合简单悬空结构，提供稳定支持。网格支撑：用于大面积悬空，提供均匀支持），减少支撑材料的消耗和成型耗时。

3.2 切片处理优化

（1）切片软件参数配置建议：首先确保所选切片软件与您的3D成型设备型号的兼容。根据您的打印需求选择功能丰富且适配的切片软件。需要高级功能和定制化选项，可以选择开源软件如PrusaSlicer或SuperSlicer，参数就会相当的专业化。对于闭源软件，当然也要考虑成本因素。根据模型的尺寸、精度要求和匹配的成型速度，选择合适的分层厚度[9]。根据成型工艺方法，分层厚度越小，打印件的精度就越高，但打印时间也会对应增加。对于非承重部件，可以选择较低的填充密度以节省材料和时间。

（2）打印路径规划优化方法：使用切片软件中的路径优化功能，减少空行程和重复路径，提高打印效率。根据模型的几何形状和打印需求，在切片分析的时候结合耗材、效率、质量、可能存在的形变、功能影响等因素，选择合适的打印方向确定打印路径，以减少支撑结构的使用和打印时间（一般选择形变小，功能影响小，质量高，效率高，耗材低，后处理便捷，按照顺序依次选择）。可以选择通过动态构建局部搜索图（LSG）并在其中进行路径选择，显著降低计算复杂因素，实现实时路径规划。

3.3 工艺参数优化

（1）材料选择：结合材料特性，选择适合FDM工艺的材料，如PLA、ABS等。不同材料具有不同的机械、热性能和成型特性，需根据功能场景进行选择。确保所选材料与成型设备的喷头和热床兼容，避免打印过程中出现堵塞或粘附不良的情况[10]。市场上有很多不同价格的材料，选择的时候也要注意识别，尽可能避开二次材料、再生材料等材料成分不均或者元素复杂的选择。

（2）喷头温度设置：喷头温度根据设计需要和结合功能质量要求，选择使用的材料类型（如PLA、ABS等），结合材料类型就可设置合适的喷头参数。结合成型要求，PLA的喷头温度范围在180~220 ℃之间，ABS的喷头温度范围在200~250 ℃之间。

（3）工作台温度设置：对于需要良好黏附的打印材料（如ABS），设置合适的热床温度。结合成型要求，ABS的热床温度范围在70~110 ℃之间。对于PLA等粘附性较好的材料，可以根据需要降低热床温度或关闭热床，也可在范围在50~90 ℃之间选择。

（4）打印速度设置：根据模型的精度要求和打印效率，设置合适的成型速度。一般来说，较高的成型速度可以缩短成型时间，但可能会降低成型件的精度和表面质量。因此，在保证成型质量下，尽量提高成型速度。

（5）填充形状、密度与速度选择：根据对象的机械性能要求设置填充密度。较高的填充密度可以提高强度，但会增加材料消耗和成型时间。填充速度是指喷头在填充内部区域时的移动速度。填充速度可以略快于成型速度，以提高成型效率。

（6）挤出量与打印速度匹配：根据材料特性和打印机的性能设置合适的打印速度和挤出量。过高的速度可能导致成型质量下降，而过低的温度可能导致层间黏附不良。挤出量的设置需要根据所使用的材料和成型需求进行调整。在保证成型质量的前提下，尽量调整挤出量以匹配打印速度。

3.4 后处理优化及其他意见

（1）热消除处理：根据材料的特性，对打印完成的零件进行热消除处理，但熔融沉积更多的是保持温度缓慢冷却，以保持其形状不因冷却温差过大速度过快而变形或失效，同时保证零件的强度和韧性[11]。

（2）支撑结构去除：成型完成后，及时去除支撑结构，以避免对模型造成损伤。同时，去除支撑结构后还可以进行进一步的打磨和抛光处理，以提高模型的表面质量。

（3）表面处理：对打印件的表面进行喷砂、喷涂或电镀等处理，以提高其美观度和耐用性。

（4）质量控制与验证：尺寸精度要求，使用测量工具（如卡尺、三坐标测量机等）验证模型的尺寸精度，确保满足设计要求。机械性能试验要求，对于功能性部件，进行必要的机械性能测试（如拉伸、压缩、弯曲等），以确保其在实际应用中具有足够的强度和耐久性。

（5）迭代与改进：对首次成型的反馈进行改进，根据测试结果和实际场景的反馈，对模型设计进行迭代和改进。优化几何形状、材料选择和成型参数，以提高成型质量和性能。

4 结语

结合上述内容，基于熔融沉积技术的对象结构数字预处理优化是提高3D打印质量和效率的重要手段。针对对象结构数字预处理优化，需要从模型分析与简化、支撑结构优化、切片参数调整、成型路径规划和后处理等方面进行综合考虑和优化。同时，根据所使用的材料和成型需求，合理设置喷头温度、热床温度、成型速度、填充速度以及挤出量等参数，以提高打印质量和效率[12]。通过改进切片算法、优化工艺参数和合理设计支撑结构等措施，可以显著提高成型件的精度、强度和稳定性，为FDM技术在各个领域的应用提供更加可靠的技术支持。

参考文献：

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