FDM 3D打印鱷魚模型翹曲變形分析與優(yōu)化

賴周藝，姜俊俠

（深圳信息職業(yè)技術(shù)學院機電工程學院，廣東 深圳 518172）

FDM 3D打印鱷魚模型翹曲變形分析與優(yōu)化

賴周藝，姜俊俠

（深圳信息職業(yè)技術(shù)學院機電工程學院，廣東 深圳 518172）

隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展與推廣應用，打印件質(zhì)量更加受到重視。針對某細長類鱷魚模型FDM3D打印成型后在高度方向翹曲變形嚴重的現(xiàn)象，對產(chǎn)生翹曲變形的原因進行了分析和探討，發(fā)現(xiàn)其主要由模型冷卻凝固時收縮不均勻引起。試驗表明，通過提高環(huán)境溫度、降低打印層厚、加快打印速度和減少內(nèi)部填充量，可有效改善翹曲變形情況。

3D打??；FDM；細長類；翹曲；優(yōu)化

隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展和完善，尤其是桌面級3D打印機的出現(xiàn)，3D打印得到迅速推廣應用[1-2]。FDM（Fused Deposition Modeling，熔融堆積成型）因其成本低、強度較好、無毒性和無化學污染，被廣泛應用于桌面級3D打印機。FDM采用計算機控制噴頭做水平運動，將加熱的熱塑性材料從噴頭里擠出，在溫度低于材料熔點的工作臺上，迅速形成一層薄片輪廓截面，然后工作臺下降一定高度(即層厚)，噴頭繼續(xù)擠出熱塑性材料，這樣逐層堆積，最終堆積成三維產(chǎn)品零件[3]。

采用FDM3D打印成型（熔融堆積成型）某細長類鱷魚模型，初期調(diào)試時發(fā)現(xiàn)該打印件尾部在高度方向翹曲變形嚴重，超出了許用范圍。文中對鱷魚模型翹曲變形的原因進行了初步分析和探討，通過優(yōu)化工藝參數(shù)消除翹曲變形。

1 模型介紹與FDM3D打印工藝參數(shù)

某細長類鱷魚模型如圖1所示，其包容外形尺寸（長×寬×高）為135×10×10mm；打印設(shè)備采用北京太爾時代科技有限公司桌面級3D打印機UP2（如圖2），材料為ABS（太爾時代公司3D打印專用絲材，直徑φ1.75mm）。在生產(chǎn)調(diào)試初期采用的主要工藝參數(shù)如表1所示，打印所得成型件如圖3所示，發(fā)現(xiàn)成型件頭部和尾部在高度方向均產(chǎn)生翹曲變形，這是客戶所不能允許的。翹曲變形是評定產(chǎn)品質(zhì)量的重要指標，一般采用翹曲量來評價[4]；圖3所示鱷魚模型頭部和尾部在高度方向的翹曲量分別為0.4mm和1mm。

圖1 鱷魚模型Fig.1 Crocodile model

圖2 3D打印機(UP2)Fig.2 3D printer (UP2)

表1 3D打印調(diào)試初期采用主要工藝參數(shù)Tab.1 Main process parameters of 3D printing during initial debugging process

圖3 鱷魚模型3D打印成型件在高度方向的翹曲變形Fig.3 Warpage in height direction of crocodile model formed by 3D printing

2 FDM3D打印翹曲變形分析與優(yōu)化

收縮不均勻容易導致塑件翹曲變形[5]。FDM3D打印鱷魚模型尾部（見圖4 A區(qū)域）為尖角，與空氣接觸面積大，熱傳導和對流的散熱效果最顯著，最容易冷卻凝固；而模型主體（見圖4 B區(qū)域）體積相對模型尾部較大，散熱慢，凝固時間比模型尾部長，在凝固過程中在鱷魚模型內(nèi)部產(chǎn)生拉應力，導致鱷魚模型尾部發(fā)生翹曲。與鱷魚模型尾部相比較，模型頭部同樣有較大面積與空氣接觸，但其沿模型主體方向體積變化不太大，凝固時間相差不大，凝固時產(chǎn)生的收縮較小，因此雖然也發(fā)生了翹曲變形，但翹曲量小于鱷魚模型尾部。

圖4 鱷魚模型3D打印成型件1Fig.4 3D printed form of crocodile model 1

為了改善翹曲，首先需要改變環(huán)境溫度。鱷魚模型3D打印調(diào)試初期時室溫為18℃；擬將室溫提高至22℃，減緩成形過程中鱷魚模型尾部尖角部位的熱傳導和對流散熱，降低冷卻速度，從而減緩該部位凝固收縮應力。另外還從以下三方面進行控制：

(1）降低3D打印層厚（層厚由0.25mm減少至0.20mm），這樣可以減少打印的新增層冷卻時新增層底部與頂部間的溫差，減少其收縮的不均勻。

(2）加快成形速度（由默認打印速度 40mm/s改為快速打印速度45mm/s），這樣就減少了同一水平高度上在長軸方向不同部位的溫差，減少了不同部位間的收縮不均勻。

(3）減少模型內(nèi)部填充密度（如圖5所示，填充模式由“松散”（ 填充網(wǎng)格為邊長2mm的正方形）改為“中空”（填充網(wǎng)格為邊長4mm的正方形）），這樣就減少模型內(nèi)部（尤其是模型主體）的塑料填充量，減少了模型主體區(qū)域的打印時間并加快了模型主體的冷卻凝固速度，從而減少了模型主體與模型尾部之間的溫差，進而減少了模型主體與模型尾部之間的收縮不均勻。

圖5 內(nèi)部填充示意圖Fig.5 Schematic diagram of infill

修改后的工藝參數(shù)如表2所示。

表2 3D打印主要工藝參數(shù)Tab.2 Main process parameters of 3D printing

采用改進的工藝參數(shù)，充填密度的降低使得模型材料消耗從12.1g減低至10.6g；打印層厚的減少使得分層數(shù)量從50層增加到61層，打印總時間則從35min增加至43min。采用改進工藝參數(shù)打印所得模型如圖6所示，頭部翹曲變形消除，尾部翹曲變形得到明顯改善，翹曲量為0.2mm。

圖6 鱷魚模型3D打印成型件2Fig.6 3D printed form of crocodile model 2

3 結(jié)論

翹曲為細長類模型FDM3D打印常見缺陷，主要由模型冷卻凝固時收縮不均勻引起。試驗表明，通過優(yōu)化工藝參數(shù)：提高環(huán)境溫度、降低打印層厚、加快打印速度和減少內(nèi)部填充量，可有效改善翹曲情況。

（References）

[1]王月圓,楊 萍.3D打印技術(shù)及其發(fā)展趨勢[J].印刷雜志.2013,(4):10-12.WANG Yueyuan,YANG Ping.3D printing technology and its development trends[J].Printing Field.2013,(4):10-12.(in Chinese)

[2]盧秉恒,李滌塵.增材制造（3D打?。┘夹g(shù)發(fā)展[J].機械制造與自動化.2013,42(4):1-4.LU Bingheng,LI Dichen.Developement of the additive manufacturing (3D printing) technology[J].Machine Building &Automation,2013,42 (4):1-4.(in Chinese)

[3]江洪,康學萍.3D打印技術(shù)的發(fā)展分析[J].新材料產(chǎn)業(yè).2013,(10):30-35 JIANG Hong,KANG Xueping.Analysis of 3D printing technology and development[J].Advanced Materials Industry,2013,(10):30-35.(in Chinese)

[4]李吉泉,李德群,郭志英.塑膠翹曲度及其計算方法[J].高分子材料科學與工程.2008,(6):1-4.LI Jiquan,LI Dequn,GUO Zhiying.The warpage degree of injection-molded parts and evaluation methods[J].Polymer Materials Science and Engineering.2008,(6):1-4.(in Chinese)

[5]董嬌,王雷剛,黃 瑤.U盤上蓋的翹曲變形分析與工藝參數(shù)優(yōu)化[J].模具技術(shù).2010,(2):8-11.DONG Jao,WANG Leigang,HUANG Yao.Warpage analysis and process optimization of USB flash disk cap[J].Die and Mould Technology.2010,(2):8-11.(in Chinese)

Warpage optimization of alligator part formed by FDM 3D printing

LAI Zhouyi,JIANG Junxia

（School of Electromechanical Engineering,Shenzhen Institute of Information Technology,Shenzhen 518172,P.R.China）

As the 3D printing technology is extensively applied ,the quality of printed parts has drawn more attention.For the serious warpage of the slender alligator part formed by FDM 3D printing,the reason was discussed and analysed and the results showed that the warpage was mainly caused by uneven contraction during cooling solidification.Experiments shows that by increasing ambient temperature,reducing printing slice thickness,accelerating printing speed and decreasing filling volume,the warpage of the FDM 3D printed parts can be improved effectively.

3D printing;fused deposition modeling (FDM);slenderness;warpage;optimization

TP334.8

：A

1672-6332（2014）01-0020-03

【責任編輯：楊立衡】

2014-1-20

賴周藝（1982-），男（漢），廣東茂名人，工程師，博士，主要研究方向：先進制造技術(shù)；E-mail:laizhouyi@sohu.com