基于熔融沉积3D打印技术的家具模型制作技术要点
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摘 要：熔融沉积制造是3D打印领域里应用最广泛的技术之一。本文对该3D打印技术的工艺原理进行了介绍。从制作工艺角度，对使用该技术制作家具模型时出现的问题进行了分析，归纳了该技术应用于家具模型制作时的技术要点，以推动该3D打印技术在家具模型制作领域的应用。
关键词：熔融沉积;家具模型;工艺研究
随着3D打印技术的不断发展，越来越多的3D打印技术被推向市场。但由于受设备价格和材料成本的限制，目前市场上应用最广泛的是熔融沉积3D打印技术，以普及型桌面级设备为主。[1]相比其他3D打印技术，熔融沉积3D打印具有制作工艺简单、材料成本低、操作简易等特点。[2]一些家具制造企业的设计部门使用熔融沉积工艺，用于新产品的开发和家具模型的制作。本文通过对熔融沉积3D打印工艺的研究，依据实际打印经验，归纳出熔融沉积工艺的技术操作要点，为熔融沉积3D打印在家具模型制作领域的应用提供技术参考，以促进该3D打印技术在家具模型制作领域的推广。
1 熔融沉积3D打印技术
熔融沉积3D打印的工艺原理是将丝状的热塑性材料按指定温度熔化，使材料保持半液体状态。在计算机代码的控制下，挤出头沿零件截面轮廓和填充轨迹运动，同时将熔化的材料挤出，材料迅速固化，并与周围的材料黏结。当完成一层截面的沉积后，成型平台下降预定高度，继续下一层的沉积。如此重复，层层堆积完成实体模型。[3]
2 熔融沉积3D打印技术制作家具模型的技术要点
熔融沉积工艺在3D打印各类工艺中应用最广泛，但在家具模型制作中仍存在不少技术难题和自身局限性。本研究使用的是国产熔融沉积3D打印机，通过多次实验测试，观察打印效果，分析打印问题。总结出熔融沉积3D打印技术制作家具模型时需要注意的技术操作要点，技术操作要点总结如下。
2.1 模型设计要点
熔融沉积3D打印不适合制作细长结构的零件。以圈椅模型的椅腿为例，当椅腿竖直布置时，由于模型底部和打印平台粘连的面积太小，会出现底座粘连不牢，导致模型底座脱离打印平台，继而模型无法打印成型。当椅腿水平布置时，由于椅腿与打印平台接触面积较大，打印过程中，受打印平台温度和冷却速度的影响，椅腿容易出现翘曲等问题。因此，熔融沉积3D打印技术不适合制作纤细轻巧的家具部件，粗壮厚重的家具部件更适合用该工艺进行加工。模型设计时应适当将各部件的尺寸加大。同时，也需要保证整体与部件互相协调，取得整体与局部之间的比例匀称美。
2.2 模型布置要点
模型布置是3D打印操作中的关键步骤，模型布置的好坏直接影响模型打印的质量。熔融沉积3D打印技术的切片软件在生成加工G代码时会添加支撑结构。支撑结构的作用是辅助打印模型的悬空部分，支撑结构多为片状构造。片状构造是为了方便拆除，但由于熔融沉积工艺支撑结构使用的材料和模型主体材料一致，在拆除支撑结构时，会产生毛刺，影响模型的表面质量。因此，使用熔融沉积3D打印技术制作家具模型时，应尽量避免产生支撑。平躺的布置方式可以避免产生支撑结构，从而保证模型的表面质量。
2.3 台阶效应
熔融沉积快速成型过程中会产生“台阶效应”。[4]因为模型表面由一层层圆形截面沉积而成，表现为“台阶状”效果。“台阶效应”受到分层厚度和成型夹角（模型和打印平台间的夹角）的影响。[5]分层厚度越大、成型夹角越小，台阶效应越明显。[6]放置位置的不同直接影响模型的成型夹角。因此，减少“台阶效应”的优化方案就是要增加成型夹角，尤其是体现模型主体外观的曲面，增大夹角后，可以获得最佳成型效果。
2.4 模型变形
模型变形是熔融沉积快速成型过程中经常出现的问题。原因包括以下几个方面。第一，模型的不同部分在冷却过程中有不同的收缩率。第二，快速成型机挤出头的侧面有冷却风扇，导致模型各部位原料冷却速度不同。优化方案如下：首先，3D打印控制软件中摆放模型时一般以平面作为底面，如果模型有多个平面，应选择面积较小的面，以减少成型材料冷却收缩引起的变形。其次，3D打印控制软件中布置模型时，应尽量让成型底面的长边与冷却风扇的散热方向保持垂直，以减少由风扇散热引起的冷却不均。
3 结语
在3D打印各类工艺中，熔融沉积3D打印的成型原理最简单，普及度最高。本文对熔融沉积3D打印技术的工艺原理进行了分析，总结出该工艺用于制作家具模型時需要注意的技术要点，为使用该工艺制作家具模型提供技术参考，以推动熔融沉积3D打印技术在家具模型制作领域的应用。
参考文献：
[1] 王琛，于嘉浩，陆红红，蒋雨婷.基于快速成型技术的中国古典家具模型制作工艺研究[J].家具，2018，39（6）：40-44.
[2] 郁舒兰，施佳露，于娜，吴成.交互式老年人手指握力康复产品设计[J].家具，2019，41（2）：84-88.
[3] 王子轩，吴智慧.办公环境中建筑与家具的文化体现[J].家具，2019，41（2）：41-45.
[4] 周季纯，吴燕.圈椅的起源与发展[J].家具，2019，41（2）：62-65.
[5] 高玲玲，徐伟.缩短有限定制沙发平均生产周期的方法研究[J].家具，2019，41（2）：13-17.
[6] 姚月姝，祁忆青，王丹.冬季室内有害挥发物释放特征及防治措施[J].家具，2018，39（2）：11-14+23.
作者简介：王琛，男，南京林业大学家居与工业设计学院实验师，主要研究方向：工业设计工程。
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