3d打印技术在航海航天领域的应用（3D打印技术发展迅速）
3d打印技术在航海航天领域的应用（3D打印技术发展迅速）图1 熔融沉积制造技术原理示意图此外，与其他3D打印技术相比，熔融沉积制造技术的用时较长，这是由于其需要在加工过程中等待材料完全固化，有限的喷头移动速度也限制其加工效率。丝状材料熔融后在专业移动过程中挤出，打印喷头在这一过程中由送丝装置持续送丝，打印完成一层截面轮廓后，固化的熔融材料粘接前一层，打印喷头的上移高度为一个层厚，以此反复进行打印，直至完成加工。熔融沉积制造技术多以塑料为打印材料，具备较为简单的加工原理，材料使用率高，材料成本性低，使用熔融沉积制造技术的3D打印机也具备操作简单等优势，这使熔融沉积制造技术近年来快速发展且得到广泛应用。但受到喷头吐丝直径固定的影响，熔融沉积制造技术应用中层厚会受到限制，这使其存在相对有限的成型精度。
前言3D打印技术发展极为迅速，其广泛应用于汽车、航天、食品等领域。
基于加工方法和材料的不同，3D打印技术可细分为熔融沉积制造技术、三维粉末黏接成型技术、分层实体制造技术、光固化成型技术等。
该文主要围绕熔融沉积制造技术进行研究，该3D打印技术具备可用材料广泛、生产设备便宜、操作过程简单等优势。路径规划是熔融沉积制造技术中的关键步骤，该文主要围绕径规划来研究3D打印技术。
一、熔融沉积制造技术在熔融沉积制造技术的具体应用中，图1中的打印喷头会首先下降，直至与打印平台间相距一个层厚，丝状材料由加热器负责加热，打印平台由专用加热装置进行加热，完成加热后计算机控制打印喷头沿着打印实体截面轮廓移动。
丝状材料熔融后在专业移动过程中挤出，打印喷头在这一过程中由送丝装置持续送丝，打印完成一层截面轮廓后，固化的熔融材料粘接前一层，打印喷头的上移高度为一个层厚，以此反复进行打印，直至完成加工。
熔融沉积制造技术多以塑料为打印材料，具备较为简单的加工原理，材料使用率高，材料成本性低，使用熔融沉积制造技术的3D打印机也具备操作简单等优势，这使熔融沉积制造技术近年来快速发展且得到广泛应用。
但受到喷头吐丝直径固定的影响，熔融沉积制造技术应用中层厚会受到限制，这使其存在相对有限的成型精度。
此外，与其他3D打印技术相比，熔融沉积制造技术的用时较长，这是由于其需要在加工过程中等待材料完全固化，有限的喷头移动速度也限制其加工效率。
图1 熔融沉积制造技术原理示意图
二、路径规划技术在3D打印实践中，路径规划需要在分层处理完成后进行，路径规划方法直接影响3D打印效果。
对该文研究的熔融沉积制造技术来说，常用的路径规划技术包括直线扫描技术、分区扫描技术、轮廓偏置扫描技术、分形扫描技术等。
直线扫描技术在应用中需要对截面轮廓逐行扫描填充，基于设定的加工速度控制表面轮廓扫描速度，轮廓空腔处的扫描速度会有所加快。
直线扫描技术具备加工速度快、程序简单等特点，但如果加工模型存在轮廓空腔，打印喷头需要在不同喷丝速度和行程速度间转换，这对传动系统和控制系统的准确性存在较高要求。
大量的跳行换转也使加工过程很容易出现拉丝、误差问题，最终影响表面成型精度，加工模型打印时因受力不均匀而出现翘边变形的情况同样较为常见。
围绕分区扫描技术进行分析可以发现，该技术需要按照分组规则对分层截面轮廓图进行细分，进而获取多个相连的小型区域，这类区域扫描按照规定的扫描方式完成。
分区扫描技术在应用中的喷头跳转仅出现在不同小区域间，可有效预防翘边变形、喷头拉丝等问题，但该技术不适用于打印腔体薄厚不均匀、结构不规则的模型，这类打印模型的分区难度过高且存在过于复杂的控制程序。
分区不佳对打印质量造成的影响也较为深远；轮廓偏置扫描技术需要沿外轮廓表面从外向内逐圈扫描，在完成截面轮廓图最外面扫描后，喷头会向内逐步移动，直至完成全部扫描。
轮廓偏置扫描技术存在相对分散的内应力收缩方向，因此该技术的应用能够较好规避喷头空行程、翘边变形等问题，适用于薄厚均匀、结构规则的打印模型，在这类模型打印中精度较高。
但如果打印模型存在腔体薄厚不均匀、结构不规则、偏置路径重合相交等问题，很容易出现复杂化扫描路径算法，严重时还会导致打印失败。
分形扫描技术在扫描路径的生成中应用分形曲线，如Hilbert曲线，在分形几何原理的支持下，分形曲线可持续繁衍，最终完成完整轮廓的全覆盖规划，而受到整体与部分接近一致的分形曲线影响。
完整的一层轮廓规划完成后，即可同时得到一致的层片各个位置规划结果，进而得到基本一致的加工层片厚度，这种规划可在完整零件模型上拓展，进而保证3D打印成型质量，该技术的原理如图2所示。
图2 分形扫描技术原理示意图
结合图2进行分析可以发现，在应用Hilbert曲线的过程中，打印喷头的工作方向需要持续改变，这会在一定程度上影响打印机稳定性，打印精度也会同时受到影响。
为更好应用分形扫描技术进行路径规划，必须对该技术进行进一步改进，这正是该文研究的关键所在。
三、影响3D打印效率与质量的因素在通过三维软件制作STL格式的零件模型后，基于熔融沉积制造技术的3D打印效率和质量会受到多方面因素影响，主要体现在两个方面：第一，打印实体模型所需时间和成型质量会受到模型放置方向的直接影响，这种影响主要体现在打印支撑使用、表面质量、表面阶梯个数等方面，这种影响可在G代码生成过程中进行改善，很多切片软件也提供相应功能对模型位置进行调整；第二，模型路径规划。
在应用不同路径规划的过程中，基于熔融沉积制造技术的3D打印效率和质量同样会受到影响，这与各类路径规划技术存在的缺点和特性存在直接关联。
实体模型打印的成型效率和精度要求较高，路径规划的有效开展难度较高，为解决相关问题，该文将提出一种新的3D打印路径规划技术。
四、新型路径规划技术该文研究的新型路径规划技术以上文提及的分形扫描技术为基础，该节将围绕新技术的原理、优化后的原始回路生成、优化后的扫描轨迹生成三方面进行深入探讨。
为满足熔融沉积制造技术应用中的模型路径规划需要，该文以分形扫描技术为基础，引入赋权Hamilton回路对其进行优化。
分析Hilbert曲线可以发现，基于该曲线的分形扫描成型需要设法改进Hilbert曲线，只有减少其等分次数，才能够减少轨迹拐点，进而保证扫描过程中的稳定移动，3D打印机的使用寿命也能够同时延长。
但考虑到等分次数的减少可能导致整个截面轮廓无法在分形扫描技术应用中完全填充，为解决相关问题，对Hilbert曲线等分后得到的基础单元，该文研究基于固定规则对其进行合并处理。
分形扫描技术存在的拐点多等问题可由此解决，打印机的使用寿命和3D打印成型质量均可得到更好保证。
为基于赋权Hamilton回路优化分形扫描技术，需要明确Hilbert曲线基元单位合并方向，优化路径连接在之后围绕合并得到的大分区开展，3D打印过程的喷头移动距离缩短及速度转换减少可由此实现，进而取得预期优化效果。
Hilbert曲线在应用中能够划分整层截面轮廓，同时保证其填充完整，而在Hamilton回路引入后，其同样以实现路径最优为目标，因此熔融沉积制造技术应用中的模型路径规划优化需要结合Hamilton回路和Hilbert曲线特点，保证扫描路径最优且打印要能够更好满足。
基于无法改变的打印喷头规格，因此可得到固定的喷头行走轨迹规格，基于Hilbert曲线，相应点坐标可通过细化坐标方式获取，扫描路径坐标和截面轮廓线各点坐标的具体值可由此顺利获取，加工过程中打印机喷头走向自然能够同时明确。
如存在0.2mm直径的打印机喷头，同时存在规则正方向的截面轮廓图形，具体边长为1.8mm，即可得到图3所示的细化坐标后小正方形，具体规格为0.2mm×0.2mm，对应点坐标可基于该图确定。
图3 细化坐标结果
基于Hilbert曲线原理，原始回路的寻找需要首先明确基元回路，即获得的所有单一回路，对杂乱无章的基元回路，为应对其方向差异，相关基元回路需通过Hamilton回路连接为最优路径，图4为基元回路示意图。
图4 基元回路示意图
基于优化后的分形扫描技术，扫描轨迹生成过程中的原始回路合并需要从基元回路的生成入手，之后的赋权计算由Hamilton回路完成，为在这一过程中获取Hamilton回路权函数值最优解，具体由Total确定，可使用公式（1）进行计算。
Total=[Nw1 Vw2 Cw3 Tw4 …]（1）式中：Total为回路权函数值最优解；Nw1为分层薄厚的影响加权因子；Vw2为送料速度与喷头吐丝速度的影响加权因子；Cw3为喷头熔丝温度的影响加权因子；Tw4为打印机启停延时的影响加权因子。
为进一步确定拐点或初始处基元回路合并方向，须设法确定Total值最小的方向，具体需要通过式（2）确定，式中的Min[total（b，a），Total（c，a）]代表值最小的方向。
Min[total（b，a），Total（c，a）]（2）式中：b、c均为需要合并的基元回路，a为起始点基元回路，图5为合并基元回路的过程。
结合该图进行分析可以确定（a）为合并前的基元回路，如结合式（2）计算确定基元回路1、2间存在最小的Total值，即可将二者合并，为同时规避岛屿型合并回路出现，仍需使用式（2）进行计算，如计算确定基元回路1、3间存在最小的Total值，即可进一步合并。
以此类推，最终可完成整个截面轮廓区域的基元回路合并，最终得到优化后的分形扫描规划路径。
为生成扫描轨迹，须把握以下流程：第一，明确合并起点，该起点即为图5中的基元回路1，之后需要按照图5依次标记基元回路；第二，基于式（1）对Total值进行比对，Total值的最小方向通过式（2）确定，以此合并相邻基元回路。
第三，重复进行合并，两次合并方向判别后需基于确定的方向合并，直至截面轮廓边缘；第四，每次合并后需要将被合并基元回路的标注替换为基元回路标注，最终基于标注即可确定最优扫描路径是否获取，如基元回路仍存在其他标注，须进一步进行合并处理。
图5 合并基元回路过程
五、实例分析为验证新型路径规划技术的实用性，选择Z-603S型号的3D打印机作为试验设备，该打印机由打印平台、送丝盘、打印喷头、传动装置、控制装置、打印机框架等部分组成。
在试验过程中，需要使用切片分层软件Cure。确定参数后，还需要关注加工代码的生成，基于确定的加工路径，在3D打印机中输入对应G代码。
这种加工代码由准备、加工过程、结束过程三部分组成，其中最关键的是加工过程代码，其他部分存在基本相同的代码内容，试验仅需要通过新型路径规划技术改进G代码，即可完成实例验证。
为生成加工代码，需要在切片软件中导入打印模型，结合设置好的打印线材、打印支撑、喷头工作速度、打印模型厚度等参数，即可获得G代码，该G代码可基于改进的打印扫描轨迹或特殊要求进行修改，修改后的G代码用于生成加工代码，最终用于3D打印。
为验证该文研究的新型路径规划技术实用性，需要围绕相同的打印实体模型进行对比，这一对比围绕改进前后的分形扫描技术进行，分别通过二者生成打印路径并进行打印，这一过程使用熔融沉积制造技术，打印机的打印层厚为0.1mm~0.3mm，喷头直径为0.4mm，设置20%的打印填充密度，风扇需要在3D打印过程开启。
基于改进前后分形扫描技术生成的两种路径打印长方体模型，可确定改进前分形扫描技术的打印时间为9530s且成形精度高，但同时也打印机工作稳定性较差。
改进后的分形扫描技术的打印时间为7990s，同时成形精度较高，工作较为稳定。
图6为改进前分形扫描技术打印成品对比图，结合该图可以发现，改进前的分形扫描技术打印成品存在显著的喷头行走痕迹，新型路径规划技术则基本不存在痕迹，同时新型路径规划技术应用后实现15%的打印效率提升。
总的来说，在基于熔融沉积制造技术的新型路径规划技术应用中，该技术能够减少翘边现象、优化路径规划、提升打印机稳定性、减少启停和换向次数，最终提升打印质量，因此该新型路径规划技术具备较高推广价值。
图6 改进前分形扫描技术打印成品对比图
结论综上所述，3D打印技术的发展前景极为广阔。在此基础上，该文涉及的熔融沉积制造技术、新型路径规划技术等内容，则直观展示了3D打印技术的优化应用路径。
推进了3D打印技术发展，打印材料冷却收缩控制、打印起点科学选择、软硬件升级影响应对等方面同样需要得到重视。
