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1.1研究背景随着科学技术的发展，3D打印技术逐渐流行开来，有人预测:3D打印酝酿制造业革命的前夜[fll。甚至有些国家将3D打印技术作为第三次工业革命的重要标志之3D打印技术是一门新兴的高科技。它以计算机的三维图形为原型，通过3D切片软件进行离散分层并生成路径填充信息，利用激光、热熔喷嘴等方式将金属粉末、有机复合塑料等特殊材料按照路径填充信息进行填充，经过茹结叠加而生成物体。3D打印制造与传统制造业通过模具等机械加工方式制造产品方法不同，它通过降低维度的思想将三维实体变为若干个二维平面，然后通过逐层打印并层层叠加，进而累积生成产品，这样就很大程度上降低了制作的难度。且这种制造方式不需要庞大的机床，直接通过3D图形制作软件制作出所需要的产品，无需考虑生产工艺问题和机械加工模具，减少了成本，缩短了生产周期，提高了效率。3D打印技术改变了传统的制造模式，这是制造业发展过程中的一个飞跃。在传统生产方式上，一个新品从设计到进行正常化生产的周期最快需要一两个月的时间，由于3D打印技术产品数字化、制造、分析高度一体化，新产品开发时间减少50%，并且大大缩短了制造时间，实现了产品快速响应制造。另外，3D打印技术改变了人们对制造业的认知和生产习惯，它的出现将会从根本上颠覆传统制造业。3D打印技术核心思想最早可以追溯到19世纪照相雕塑(PhotoSculpture)技术和地貌成形(Topography)技术。1984年，CharlesHull通过数学模型打印出了相应的三维物体。1986年，ChuckHull利用紫外线照射将树脂凝固成形来构造物体，并且他将这种构造物体的方法命名为立体光刻工艺，并因此获得了专利。为了更加深入地研究3D打印技术，他成立一家3D打印公司。1988年，ChuckHull创立的公司生产了世界上第一台3D打印机SLA-250，体型非常庞大。1996年，3DSystems,Stratasys,ZCorporation分别推出了型号为Actua2100,Genisys,2402的三款3D打印机产品，这是第一次称呼这些产品为“3D打印机”。自此之后3D打印技术迅速发展，打印机的价格越来越便宜，体积越来越小。打印的产品也越来越复杂，越来越多样。3D打印技术在最近几年内得到迅速的发展，目前应用在车辆、医学、机械、生物、航空航天、电子等领域，并取得一定的成果。不久前，某位科学家首次实现了用3D打印机打印人类拇指骨骼，创造医学上的奇迹;2010年，Stratasys公司采用熔融沉积成型技术打印出Urbee汽车。1.23D打印技术简介3D打印技术又称快速成型技术(RapidPrototyping，简称RP)或“增材制造技术”[3]。它是一种三维立体制造技术，是一种以数字模型为基础，采用模型切片、切片信息逐层加工方式将打印材料粘合到一起的技术。它集成了Cf}D、数控技术、激光技术和材料技等现代科技成果，是先进制造技术的重要组成部分[[4]。可以准确、迅速地将设计者的思维转化成具有一定形状和功能的原型或产品零件。3D打印技术的种类有很多，目前己出现的主要工艺有:光固化快速成型((SLA),选择性激光烧结(SLS)[，]、成型堆积制造(SDM)}}}、和三维打印成型(TDP)}}}、三维立体光刻技术(SL}8}和熔融沉积成型((FDM)等。在上述成型技术中，FDM的机械结构较为简单，制造、维护成本比较低，同时设计比较容易，材料也相对便宜。一般在工业中使用的FDM机器，主要来自美国Stratasys公司所研发的产品。1.23D打印技术简介3D打印技术又称快速成型技术(RapidPrototyping，简称RP)或“增材制造技术”[3]。它是一种三维立体制造技术，是一种以数字模型为基础，采用模型切片、切片信息逐层加工方式将打印材料粘合到一起的技术。它集成了Cf}D、数控技术、激光技术和材料技等现代科技成果，是先进制造技术的重要组成部分[[4]。可以准确、迅速地将设计者的思维转化成具有一定形状和功能的原型或产品零件。3D打印技术的种类有很多，目前己出现的主要工艺有:光固化快速成型((SLA),选择性激光烧结(SLS)[，]、成型堆积制造(SDM)}}}、和三维打印成型(TDP)}}}、三维立体光刻技术(SL}8}和熔融沉积成型((FDM)等。在上述成型技术中，FDM的机械结构较为简单，制造、维护成本比较低，同时设计比较容易，材料也相对便宜。一般在工业中使用的FDM机器，主要来自美国Stratasys公司所研发的产品。离散过程是将cAD模型信息沿某一方向进行分层切片，获得截面信息;然后，进一步处理截面信息，根据不同工艺的要求将这些离散得到的信息生成打印机数控系统可以操作的控制文件的过程。该过程是在特定的分层软件中进行。比较著名的分层软件有美国SolidConcept公司的BridgeWorks}l0},SolidView}ll}，美国Imageware公司的Surface-RPM}12}，美国POGO公司的STLManager}l3}，比利时Materialise公司的Magics}l4}，美国3DSYSTEM公司的Axon软件等。堆积过程就是按照控制文件中的控制命令和运动数据进行“逐层打印，层层累积”的过程。打印过程中，打印喷头和下层己成型物体的挤压力使得本层物体与下层物体自动粘结而成型，这种粘结过程多次反复就形成CAD模型的实物。3D打印技术可以接收三维设计软件生成的CAD模型信息，然后在特定的分层软件中对模型进行分层切片处理，最后将含有层片信息的控制文件传输到3D打印机中，打印机根据控制文件中的指令进行快速的成型制造。1.3FDM工艺介绍FDMCFusedDepositionModeling)是快速成型工艺的一种。在成型过程中，与其它快速成型工艺的主要不同在于，其构成零件的每个层片是由材料丝熔融堆积而成的[[15]。熔融的丝受到打印喷头和下层己成型物体的挤压，由于自身应力会自动粘结在己成型物体上。经过层层累积，就形成了Cf}D模型的实物。与其它快速成型技术相比，FDM具有很多的优点[[1G].C1)机械结构简单使用方便，各类人员都可在短时间内学会操作。C2)原材料在成型的过程中化学变化较小，制件的翘曲变形小[fl}lC3)材料多为有机塑料，可重复利用;且无毒，可用于家庭和办公环境。C4)去除支撑无需打磨抛光等过程。CS)可桌面化制造。鉴于以上优点，FDM技术己广泛地应用于生产制造和教学科研工作。传统产业的生产过程中，从开发到批量生产大约需要一两个月的时间，且如果改变生产样式，就必须重新制造模具。但是利用FDM工艺，可以实现分析，制造和批量生产一体化，能够在一两天之内完成设计工作，能够大大缩短开发时间和制造时间。本文中的研究也是基于FDM快速成型技术进行研究的。本文研究用到的打印机是FDM工艺3DTouchBFB-3000打印机。如图1.3所示:1.4FDM工艺研究的意义在FDM工艺中，影响打印质量的关键工艺参数是螺杆的旋转速度和喷头的进给速度。螺杆转速是指喷丝的驱动螺杆的旋转速度，它决定了挤出速度[ys}。进给速度则是指喷头在运动机构的作用下，按轮廓路径和填充路径运动时的速度[fl}l。在实际打印过程中，进给速度固定，螺杆转速过大，会产生熔融丝堆积;螺杆转速过小，会产生熔融丝供应不足，出现缝隙。对于倒L型悬臂，FDM工艺在悬臂处添加不合理的支撑，这会造成大量的材料浪费。反重力打印是3D打印的一种新方式，他改变了传统的3D打印堆积模式，但反重力打印在FDM工艺上的研究却是少之又少。本文主要针对螺杆转速和进给速度的匹配值，倒L型悬臂处的打印方法和反重力打印进行研究。本论文研究FDM快速成型技术的三个方面的意义在于:C1)螺杆转速和进给速度的匹配值研究能够为设置螺杆转速和进给速度提供更精确的参考，提高打印质量。C2)倒L型悬臂打印实验提出了一种倒L型物体不用添加支撑的方法，而且这种方法可以节省耗材，提高打印效率。C3)通过反重力打印圆弧面的方式证明了FDM工艺能够实现反重力打印。这种打印方式改变了传统的“逐层打印，层层积累”的方式，实现了三个维度的打印。这对于FDM工艺来说是一种新的打印方式。