3D打印的各种问题及解决方案

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ztguang_张同光 2022-04-20 19:16:26

3D打印机已经买回来几个月了，基本上每天都要打印一些东西，期间遇到了很多的问题积累了很多的经验。虽然现在桌面级的3D打印也算是比较简单好用了，但要追求好一点的打印质量，还是得折腾。

打印校准

打印机的校准包括X、Y、Z和A、B（就是喷头）两个轴的校准。最重要的是XYAB，因为他们直接关系到打印的尺寸大小及表面质量。

Cura和Slic3r等工具导出的是GCODE格式。GCODE格式使用明文描述路径。Sailfish Firmware只支持X3G文件，是一种二进制文件。由于打印机所使用的CPU速度较慢，处理文件并转换成脉冲比较慢，会影响打印质量。所以使用GPX工具将GCODE转换为X3G后，每个指令所走的位置都已经转换成脉冲，甚至可以对一些路径进行加减速的处理。打印机的CPU就可以直接的读取脉冲并控制电机运动。

XY steps/mm矫正

在转换的过程中，XY的steps per mm这个参数非常重要，讲的是走一个毫米需要多少的脉冲，如果该值过小，则会少走一些距离，造成距离偏小。这个和机器的结构有一定的关系，牵扯到同步齿的齿数、电机的参数等，RepRap Calculator提供了这个参数的计算器，非常方便。

MBot最初用的是17齿的齿轮，和Replicator是一样的。后来经过改进用了18齿的齿轮，和Replicator 2是一样的。通过计算器可以看到，88.89 steps/mm是理论值，但是MBot和Replicator 2中用的是88.573186这个值。和88.89比较起来，会少走一些距离，导致最后打印尺寸偏小。dcnewman开发的GPX提供了正确的参数，但截至目前尚有一些问题，不建议使用。

为了矫正88.57带来的误差，可以采用自定义的配置文件进行配置。mbot.ini是我的Mbot Cube的配置文件，在使用gpx的时候，指定gpx -c mbot.ini xxxx.gcode即可正确转换。

当然你的打印机可能依然不是正确的，需要使用一些工具进行矫正。传统的做法是使用20mm calibration box，测量外观尺寸。但这样做有一个缺点，由于喷头挤出的塑料可能有误差，会造成纠正的值将外壳的误差也算进去了。正确的测量方式是使用calibration sticks，根据不同的打印平台的长度，分别进行XY的测量，然后测量出两个缺口的距离。这样可以排除喷头的误差。

我的打印机使用88.89，打印出来的距离正确。

AB轴喷头纠正

喷头的step per mm会对挤出的塑料的多少有影响，在机械结构不变的情况下，该值越大，则挤出的料越多。过多的料称之为过挤出，会造成外观尺寸偏大，内圆半径变小，顶层可见各种重叠的塑料；挤出过小，会造成外观尺寸变小，内圆半径变大，顶层可以见各种孔洞。正确的喷头参数，会对打印质量造成非常大的影响。

Calibrate your 3D printer提供了调整喷头的参数方法，当然这篇文章也提到了如何修正其它参数。还有一种普遍使用的方式是在材料上做好标记，然后走10cm，测量实际走的长度。当然对于不能用print run的打印机，我写了一个gcode文件，执行后会自动走10cm，然后测量实际的长度。我的打印机是正确的，所以对于喷头也不用做过多的处理。

孔偏小

打印中非常常见的问题是孔变小，通常孔会变小0.5mm左右，如果打印这个图形，很可能会发现无法插上。测量孔的直径，会发现孔小0.5mm，而柱子的直径是正常的。

我在MBot Cube打印，结果是这样。然而在FlashForge Creator Pro上面，则两个可以插上。这个问题困扰了我很久，至今还没有解决。试过将同样的gcode文件分别转换成两种机型的x3g进行打印，还是一样，所以可以排除一些切片器的问题。在研究这个问题中，有一些文章可以参考。

Calibrate your 3D printer to print parts to fit
ArcCompensation
Dimension Errors
Are you printing undersized holes ?
这篇文章的神奇之处在于他的外径和内径都是OK的，可能和他使用的Cura的Sublime版本有关系。其中提到的

use Flow_tweak-post-processor and decrease perimeter flow rate as described above in case of holes coming out too small.

或许又是另外一种解决方案。

虽然我没用过最终解决这个问题，但以下是有一些方法可以改善这种问题：

改变挤出量
在Cura和Slic3r中，都有改变挤出量的选项。甚至在Simplify3D中，PLA材料的默认挤出量就是90%。经过测试，90%的挤出量比较合适，打出来的测试块刚好可以卡上。但是外观尺寸会同样变小0.2mm，内圆仍然小0.2mm，但圆柱也同样会小0.2mm，这样两个尺寸就刚好能够插入。更小的挤出量则会带来一些问题，不推荐设置。
改变挤出量虽然能够缓解一些圆孔的问题，但也会影响顶层的质量。为了弥补这样的缺陷，只能将顶层的厚度设置为1mm，或者5层。这样顶层基本上就密闭了。
喷头形状
打印negative_space_tolerance_test.stl，我的打印机只能拆下来2个，只能说打印质量比较差。通过很多次的对比，发现喷头的Flat tip area（见下图）的大小会影响到tolerance的，厂商已经在着手改进中了。

XY Size Compensation
Slic3r中提供了一个XY Compensation的选项，在Dimension Errors中有提到。和改变挤出量不一样，这个直接对切片后的图形进行补偿，不会产生顶层孔洞的问题。
在目前的Cura中还没提供这样的功能，但在Cura的开发15.06版本中，已经准备提供类似功能。Simplify3D在最新的版本中已经提供。
从设计上规避
在设计的阶段就根据孔的大小预留一些空间，但这样对于别人已经设计好的模型就很难修正了。并且你的打印机的修正量不一定适合别人。

圆不是圆

你可能会发现打印园的起始的连接部位会有一些凸起，并且圆可能是椭圆。如果观察一下打印时候的速度及噪音，你会发现在打印圆的时候可能会嘎吱嘎吱的响。这是因为园会拆分成多条直线，导致每条直线会起起停停，在速度较高的时候可能会造成一些丢步或者抖动。解决方法是打印周长的时候，选择小一些的速度，例如40mm/s，这样打印质量就会很好了。观察Simplify3D的GCODE，发现它可能对不同的周长做了不同的处理，小的圆弧走的速度较慢，打印质量很好。

顶层的洞

如果挤出正常，顶层出现孔洞，则需要将Top/Bottom的层数设置得更好，一般1mm左右能够得到很好的效果。另外infill的百分比也比较影响，因为infill很低(10%以下）的时候，打印Top的时候就会变成Bridge，造成打印质量下降。

打印错层

Sailfish Firmware中有一个Accerlation的选项，该选项打开时固件会根据当前的GCODE生成相应地加速度，使得打印机在降速和提速的时候，能够平稳的以一定的加速度进行提速。关闭时，会始终以电机的最大能力作为最大加速度进行加减速，当电机无法接受预定的速度时，会造成丢步，久而久之积累下造成打印错层。