区域分割打印对FDM 3D打印件性能的影响

doi:10.19491/j.issn.1001-9278.2025.05.009

中国塑料 ›› 2025, Vol. 39 ›› Issue (5): 57-62.DOI: 10.19491/j.issn.1001-9278.2025.05.009

区域分割打印对FDM 3D打印件性能的影响

郭伟超(), 辛晓行, 曾山林, 高新勤, 汤奥斐

西安理工大学机械与精密仪器工程学院，西安 710048

收稿日期:2024-06-27 出版日期:2025-05-26 发布日期:2025-05-22
作者简介:郭伟超（1981—），男，副教授，从事拓扑优化、先进制造技术研究，weichaoguo@xaut.edu.cn
基金资助:
榆林市科技计划项目(2023?CXY?206)

Effect of region segmentation printing on performance of FDM 3D printed parts

GUO Weichao(), XIN Xiaohang, ZENG Shanlin, GAO Xinqin, TANG Aofei

School of Mechanical and Precision Instrument Engineering，Xi′an University of Technology，Xi′an 710048，China

Received:2024-06-27 Online:2025-05-26 Published:2025-05-22

摘要/Abstract

摘要：

在进行熔融沉积成型（FDM）3D打印时，首先，将打印模型的外轮廓与内部区域进行分割，打印模型的内外区域设置不同的层厚分别进行打印，其次，将打印模型的内部区域，根据打印件的应力分布情况进行区域分割，再根据各区域所受应力大小进行变密度填充。结果表明，采用所提的区域分割打印方法后，与普通打印方法相比，能够在保证打印件侧表面打印精度的同时，缩短打印时间至少40 %，降低上表面粗糙度25 %，提高了打印效率；打印件在受到相同外载时，打印件最大应力降低了至少10 %，最大位移减少了至少15 %，提高了打印件的力学性能。

关键词: 3D打印, 熔融沉积, 区域分割, 表面质量, 力学性能

Abstract:

During melt deposition molding （FDM） 3D printing， the outer outline of the printed model was firstly segmented from the inner region， and the inner and outer regions of the printed model were printed with different layer thicknesses. The inner region of the printed model was then segmented according to the stress distribution of the printed part. The variable density was filled according to the stress of each region. The results indicated that the proposed method could shorten the printing time by least 40% at least， reduce the surface roughness by 25%， and improve the printing efficiency. This ensures the printing accuracy of the side surface of the printed part. When the printed part was subjected to the same external load， the maximum stress of the printed part was reduced by 10% at least， their maximum displacement was reduced by 15% at least， and their mechanical properties were improved.

Key words: 3D printing, melt deposition, region segmentation, surface quality, mechanical property

中图分类号:

TQ316

郭伟超, 辛晓行, 曾山林, 高新勤, 汤奥斐. 区域分割打印对FDM 3D打印件性能的影响[J]. 中国塑料, 2025, 39(5): 57-62.

GUO Weichao, XIN Xiaohang, ZENG Shanlin, GAO Xinqin, TANG Aofei. Effect of region segmentation printing on performance of FDM 3D printed parts[J]. China Plastics, 2025, 39(5): 57-62.

图/表 14

参考文献 19

1	唐通鸣，张政，邓佳文，等. 基于FDM的3D打印技术研究现状与发展趋势［J］. 化工新型材料， 2015，43（06）：228⁃230.
	TANG T M， ZHANG Z， DENG J W，et al. Research status and trend of 3D printing technology based on FDM［J］. New Chemical Materials， 2015，43（06）：228⁃230.
2	Zhao Z， Luc Z. Adaptive direct slicing of the solid model for rapid prototyping［J］. International journal of production research， 2000，38（1）：69⁃83.
3	李文康，陈长波，吴文渊，等. 有效保留模型特征的自适应分层算法［J］. 计算机应用， 2015，35（08）：2 295⁃2 300.
	LI W K， CHEN C B， WU W Y，et al. Adaptive slicing algorithm to retain model characteristics［J］. Journal of Computer Applications， 2015，35（08）：2 295⁃2 300.
4	石立伟. 3D打印成形方向优化与高效切片算法的研究及其软件开发［D］. 宁波：宁波大学， 2021.
5	高海亮，胡程，周宇强，等. 3D打印零件的尺寸精度及控制［J］. 中国塑料，2023，37（08）：79⁃85.
	GAO H L， HU C， ZHOU Y Q，et al. Dimensional accuracy and control of 3D printed parts［J］. China Plastics， 2023，37（08）：79⁃85.
6	田仁强，刘少岗，张义飞. 增材制造中STL模型三角面片法向量自适应分层算法研究［J］. 机械科学与技术， 2019，38（3）：415⁃421.
	TIAN R Q， LIU S G， ZHANG Y F. Research on adaptive layering algorithm of triangular facet normal vector of STL model in additive manufacturing［J］. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering， 2019，38（3）：415⁃421.
7	Li H， Wang T， Sun J， et al. The adaptive slicing algorithm and its impact on the mechanical property and surface roughness of freeform extrusion parts［J］. Virtual and physical prototyping， 2016，11（1）：27⁃39.
8	丁承君，李瑶. 快速成型中保留模型特征的分层算法研究［J］. 现代制造工程， 2019（4）：27⁃32.
	DING C J， LI Y. Research on slicing algorithm to keep model features in rapid prototyping［J］. Modern Manufacturing Engineering， 2019（4）：27⁃32.
9	韩江，王德鹏，夏链，等. 防止3D打印模型特征偏移的自适应分层方法［J］. 合肥工业大学学报（自然科学版）， 2020，43（01）：1⁃6.
	HAN J， WANG D P， XIA L，et al. Adaptive slicing algorithm for preventing feature offset of 3D printing model［J］. Journal of Hefei University of Technology（Natural Science）， 2020，43（01）：1⁃6.
10	弋英民，李迎国，刘柏均，等.保留STL模型特征细节的3D打印自适应分层算法［J］.西安交通大学学报，2023，57（08）：105⁃114.
	GE Y M， LI Y G， LIU B J，et al. Adaptive layering algorithm for 3D printing with stereolithography model feature details retained［J］. Journal of Xi'an Jiaotong University， 2023，57（08）：105⁃114.
11	张晟祺，解乃军. 基于FDM技术的阶梯效应弱化及特征保留自适应分层算法［J］. 南京工程学院学报（自然科学版）， 2023，21（2）：27⁃33.
	ZHANG S Q， XIE N J. Adaptive layered algorithm for mitigating staircase effect and preserving features based on FDM Technology［J］. Journal of Nanjing Institute of Technology（Natural Science Edition）， 2023，21（2）：27⁃33.
12	Lv N， Ouyang X， Qiao Y. Adaptive layering algorithm for FDM-3D printing based on optimal volume error［J］. Micromachines （Basel）， 2022，13（6）：836.
13	白鹤，苏亚辉，王核心，等. FDM 3D打印工艺参数对PLA制件力学性能的影响［J］. 工程塑料应用， 2020，48（1）：68⁃71.
	BAI H， SU Y H， WANG H X，et al. Influence of FDM 3D⁃printing process parameters on mechanical property of PLA sample［J］. Engineering Plastics Application， 2020，48（1）：68⁃71.
14	马秀清，劳志超，李明谦，等. 3D打印工艺参数对PLA/PTW共混物力学性能影响的研究［J］. 中国塑料， 2024，38（02）：70⁃75.
	MA X Q， LAO Z C， LI M Q，et al. Effect of 3D printing process parameters on mechanical properties of PLA/PTW blends［J］. China Plastics， 2024，38（02）：70⁃75.
15	张紫阳，孟家光，薛涛，等. 3D打印参数对柔性聚乳酸服装面料力学性能的影响［J］. 合成纤维， 2021，50（4）：31⁃34.
	ZHANG Z Y， MENG J G， XUE T，et al. Effects of 3D printing parameters on mechanical property of flexible polylactic acid fabrics［J］. Synthetic Fiber in China， 2021，50（4）：31⁃34.
16	雷经发，沈强，刘涛，等. 熔融沉积工艺参数对热塑性聚氨酯弹性体静动态力学性能的影响［J］. 中国塑料， 2022，36（05）：29⁃35.
	LEI J F， SHEN Q， LIU T，et al. Influence of fused deposition process parameters on static and dynamic mechanical properties of thermoplastic polyurethane elastomer［J］. China Plastics， 2022，36（05）：29⁃35.
17	谢仁古丽·麦提图尔荪，李楠，乌日开西·艾依提. 3D打印工艺参数对TPU试样力学性能的影响［J］. 机电工程技术， 2023，52（3）：30⁃33.
	XIERENGULI M T T E S， Li N， WURIKAIXI A Y T. Effect of 3D printing process parameters on mechanical properties of TPU samples［J］. Mechanical & Electrical Engineering Technology， 2023，52（3）：30⁃33.
18	徐文鹏，张鹏，刘懿，等. 面向3D打印的自支撑连通性填充结构设计［J］. 计算机辅助设计与图形学学报， 2023，35（1）：155⁃164.
	XU W P， ZHANG P， LIU Y，et al. Self⁃supporting connectable filling structure design for 3D printing［J］. Journal of Computer⁃Aided Design & Computer Graphic， 2023，35（1）：155⁃164.
19	Li D， Dai N， Jiang X， et al. Interior structural optimization based on the density⁃variable shape modeling of 3D printed objects［J］. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology， 2016，83（9/12）：1 627⁃1 635.

打印模型	打印方法	分层高度/mm	打印线宽/mm	填充方式	打印填充率/%	打印壁厚/mm
试件1	等厚分层	0.1	0.25	直线型	30	1.5
	等厚分层	0.1	0.48	直线型	30	1.5
	等厚分层	0.2	0.48	直线型	30	1.5
	等厚分层	0.3	0.48	直线型	30	1.5
	等厚分层	0.4	0.48	直线型	30	1.5
	区域分层	0.1，0.4	0.25，0.48	直线型	30	1.5
半球模型	等厚分层	0.1	0.48	直线型	30	1.5
	等厚分层	0.2	0.48	直线型	30	1.5
	等厚分层	0.3	0.48	直线型	30	1.5
	等厚分层	0.4	0.48	直线型	30	1.5
	区域分层	0.1，0.4	0.25，0.48	直线型	30	1.5
奖杯模型	均匀密度填充	0.3	0.48	直线型	17	1.5
奖杯模型	变密度填充	0.3	0.48	直线型	14~47	1.5
不规则板	均匀密度填充	0.3	0.48	直线型	20	1.5
不规则板	变密度填充	0.3	0.48	直线型	15~50	1.5

打印模型	打印方法	分层高度/mm	打印线宽/mm	填充方式	打印填充率/%	打印壁厚/mm
试件1	等厚分层	0.1	0.25	直线型	30	1.5
	等厚分层	0.1	0.48	直线型	30	1.5
	等厚分层	0.2	0.48	直线型	30	1.5
	等厚分层	0.3	0.48	直线型	30	1.5
	等厚分层	0.4	0.48	直线型	30	1.5
	区域分层	0.1，0.4	0.25，0.48	直线型	30	1.5
半球模型	等厚分层	0.1	0.48	直线型	30	1.5
	等厚分层	0.2	0.48	直线型	30	1.5
	等厚分层	0.3	0.48	直线型	30	1.5
	等厚分层	0.4	0.48	直线型	30	1.5
	区域分层	0.1，0.4	0.25，0.48	直线型	30	1.5
奖杯模型	均匀密度填充	0.3	0.48	直线型	17	1.5
奖杯模型	变密度填充	0.3	0.48	直线型	14~47	1.5
不规则板	均匀密度填充	0.3	0.48	直线型	20	1.5
不规则板	变密度填充	0.3	0.48	直线型	15~50	1.5

模型	分层厚度/mm	打印线宽/mm	各测量区域平均粗糙度值/μm				打印时长/min	打印耗材/g
模型	分层厚度/mm	打印线宽/mm	1	2	3	4	打印时长/min	打印耗材/g
半球	0.1	0.48	46.47	58.59	—	—	102	17.63
	0.2	0.48	91.47	115.21	—	—	51	17.66
	0.3	0.48	117.97	124.26	—	—	38	17.41
	0.4	0.48	126.27	160.87	—	—	27	18.21
	0.1，0.4	0.25，0.48	59.69	47.20	—	—	57	17.62
工件	0.1	0.25	47.95	35.69	39.89	23.36	75	6.41
	0.1	0.48	46.97	31.69	25.86	45.65	69	7.67
	0.2	0.48	101.29	97.82	81.04	52.88	35	7.87
	0.3	0.48	125.72	102.67	91.37	73.49	23	7.95
	0.4	0.48	131.11	118.74	126.30	119.00	17	8.23
	0.1，0.4	0.25，0.48	54.77	44.87	38.97	34.29	39	7.97

模型	分层厚度/mm	打印线宽/mm	各测量区域平均粗糙度值/μm				打印时长/min	打印耗材/g
模型	分层厚度/mm	打印线宽/mm	1	2	3	4	打印时长/min	打印耗材/g
半球	0.1	0.48	46.47	58.59	—	—	102	17.63
	0.2	0.48	91.47	115.21	—	—	51	17.66
	0.3	0.48	117.97	124.26	—	—	38	17.41
	0.4	0.48	126.27	160.87	—	—	27	18.21
	0.1，0.4	0.25，0.48	59.69	47.20	—	—	57	17.62
工件	0.1	0.25	47.95	35.69	39.89	23.36	75	6.41
	0.1	0.48	46.97	31.69	25.86	45.65	69	7.67
	0.2	0.48	101.29	97.82	81.04	52.88	35	7.87
	0.3	0.48	125.72	102.67	91.37	73.49	23	7.95
	0.4	0.48	131.11	118.74	126.30	119.00	17	8.23
	0.1，0.4	0.25，0.48	54.77	44.87	38.97	34.29	39	7.97

打印模型	打印方法	打印时间/ min	打印耗材/ g	最大应力/ MPa	最大位移/ mm
不规则板	均匀填充	55	28.91	1 065.80	10.002
不规则板	变密度填充	56	29.61	908.08	8.489
奖杯模型	均匀填充	105	43.75	332.34	1.531
奖杯模型	变密度填充	102	43.82	293.79	1.244

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[1]	吴希然, 贾志欣, 刘立君, 李继强, 赵川涛, 陈博杰. PP⁃CGFR/PP⁃LGFR热压⁃注塑一体成型制品力学性能分析[J]. 中国塑料, 2025, 39(5): 1-8.
[2]	杨青林, 周松, 李璨然, 余闻达, 罗玉梅. SEBS⁃g⁃MAH对PPO/PA66复合材料性能和形貌的影响[J]. 中国塑料, 2025, 39(3): 30-35.
[3]	张勋, 刘翔, 方梅, 郭攀, 冯跃战, 黄明, 刘春太. 基于动态高分子基复合材料的一体化T型加筋壁板力学性能仿真研究[J]. 中国塑料, 2025, 39(3): 53-59.
[4]	张辉, 唐站站, 鲍海霞, 程鑫远, 陈斌. 不同环境温度下UPVC管材的力学性能退化研究[J]. 中国塑料, 2025, 39(2): 26-31.
[5]	王琛, 贺琦, 李靖瑶. 熔融沉积3D打印在汽车空调连接管件仿形检具中的应用[J]. 中国塑料, 2025, 39(2): 40-44.
[6]	丁雯. 磷基⁃水性聚氨酯阻燃剂的制备及对棉织物的涂层[J]. 中国塑料, 2025, 39(2): 82-85.
[7]	王世檩, 朱家威, 张鹏, 魏兴岳, 杨华光, 曾宪奎, 杨卫民, 鉴冉冉. 基于FDM成型技术的打印强度和成型速率研究进展[J]. 中国塑料, 2025, 39(1): 112-117.
[8]	黄起中. 磷酸酯盐类成核剂对煤基抗冲共聚聚丙烯K8708结晶和力学性能的影响研究[J]. 中国塑料, 2025, 39(1): 19-24.
[9]	高成涛, 胥秋, 张黎, 李剑, 黄维, 陈劲松, 刘楠, 何声宝, 陈思瑶, 潘首慧. 无机纳米粒子在可生物降解复合材料中的应用进展[J]. 中国塑料, 2025, 39(1): 85-91.
[10]	曲道鹏, 张涛, 华晨曦, 宋欣雨, 程昌利, 刘禹, 王震宇. 高强电磁屏蔽环氧复合材料的3D打印工艺研究[J]. 中国塑料, 2024, 38(9): 24-29.
[11]	何和智, 黄宗海, 赖文, 熊华威. PLA/PBAT/CB防静电包装材料的制备及其性能研究[J]. 中国塑料, 2024, 38(7): 1-8.
[12]	胡永祥, 谢纪岭, 李伟铭, 张璐, 汤香港, 吕亿同, 申红望, 鞠冠男. 马来酸酐接枝改性GTR对聚乳酸性能的影响[J]. 中国塑料, 2024, 38(7): 20-24.
[13]	王杰, 辛德华, 李晖, 蒋洪石, 周洪福, 赵建国. 纳米黏土与二氧化硅协同改性聚乳酸研究[J]. 中国塑料, 2024, 38(7): 43-48.
[14]	徐琛, 骆博飞, 刘腾腾, 邢晶凯. 成核剂改性聚丙烯研究进展[J]. 中国塑料, 2024, 38(7): 79-85.
[15]	刘莹, 孙昊, 杨勇, 姜开宇, 于同敏, 马赛, 祝铁丽. 超声振动对玻璃纤维增强聚酰胺6注塑制件力学性能的影响[J]. 中国塑料, 2024, 38(7): 9-14.