3D打印精度影響因素及翹曲分析

李金華，張建李，姚芳萍，蘇智超

（遼寧工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)與自動(dòng)化學(xué)院，錦州 121001）

0 引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的加工工藝已無(wú)法滿足許多異形或復(fù)雜結(jié)構(gòu)的加工需求，隨即國(guó)外又推出了一種新的快速成型方法：3DP（3D打?。?D打印是目前快速成型領(lǐng)域中最受公眾關(guān)注且最具生命力的技術(shù)之一，普通打印機(jī)只能實(shí)現(xiàn)X、Y方向的移動(dòng)，而3D打印在其基礎(chǔ)上增加了Z軸的縱向移動(dòng)，并利用三維CAD數(shù)據(jù)模型，將材料逐層堆積成與模型形狀一致的實(shí)體[1]，這就大大提高了制造復(fù)雜零件的能力，并縮短了新產(chǎn)品的研制周期，降低了研發(fā)成本。

3D打印所用的累積技術(shù)紛繁復(fù)雜，與之對(duì)應(yīng)的打印材料也是多種多樣。如光固化成型法（SLA）是以光敏樹(shù)脂為原料；而選擇性激光燒結(jié)（SLS）主要用于金屬零件、金屬磨具的直接生產(chǎn)；熔融沉積成型技術(shù)（FDM）則是通過(guò)加熱的噴嘴將熱塑性絲狀材料擠出成型[2～4]。與前兩種方法相比，熔融沉積成型不需激光，所用設(shè)備成本低，工藝簡(jiǎn)潔，可用材料種類(lèi)多，以ABS、PLA等聚合物以及石蠟為主[5]，較為廉價(jià)且利用率高，是目前流行的桌面3D打印機(jī)采用的主流技術(shù)。

文中所述的3D打印制品均是基于Repetier-Host控制軟件，以PLA為材料，通過(guò)圖1所示3D打印機(jī)制成。它以步進(jìn)電機(jī)為驅(qū)動(dòng)，采用了齒形帶（X、Y方向）、絲杠(Z方向)并配以圓柱直線導(dǎo)軌的傳動(dòng)方式，如圖1（a）所示。擠出裝置采用電機(jī)接擠絲輪的直接擠出方式，如圖1（b）所示。這種機(jī)型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低，且易于安裝維護(hù)。

圖1 3D打印機(jī)主要結(jié)構(gòu)

1 打印材料

3D打印機(jī)在制件時(shí)，材料是通過(guò)擠出裝置進(jìn)入擠出頭加熱，所以要求其具有較好的機(jī)械性能，具有一定的彎曲強(qiáng)度、壓縮及拉伸強(qiáng)度[6]，從而保證材料的連續(xù)供給，避免發(fā)生斷絲現(xiàn)象。

絲材在熔融沉積成型過(guò)程中，需要通過(guò)加熱的噴嘴將其融化，噴涂到熱床上并層層疊加，材料要經(jīng)過(guò)固相、熔融態(tài)、冷卻固化三個(gè)階段，這就要求其具有良好的熱穩(wěn)定性，較低的收縮率和足夠的粘結(jié)強(qiáng)度[7]。

目前常用的打印材料有ABS與PLA兩種。ABS即丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物，它是非晶體，具有強(qiáng)度高、韌性好、熔點(diǎn)高、凝固快、流動(dòng)性低的特點(diǎn)，是一種易于加工成型的熱塑型高分子材料，應(yīng)用較為廣泛，但ABS在加熱時(shí)會(huì)產(chǎn)生刺激性氣味且收縮率較大，且成型精度不易控制。PLA是聚乳酸的簡(jiǎn)稱(chēng)，主要以玉米、木薯等為原料，具有可降解性，加熱融化時(shí)氣味小，成型時(shí)收縮率較低，打印大型零件模型時(shí)邊角不易翹起，且熔點(diǎn)較低，所以在實(shí)驗(yàn)中選擇PLA作為打印材料。

2 產(chǎn)品精度影響因素及翹曲分析

在3D打印過(guò)程中，影響產(chǎn)品精度的因素很多，如打印機(jī)本身的精度、材料的性能、打印過(guò)程中的工藝參數(shù)設(shè)定、制件翹曲等。

1）打印機(jī)精度及材料性能

打印機(jī)本身的制造和裝配精度以及工作過(guò)程中的振動(dòng)都會(huì)影響其打印精度，比如XY平面誤差、X-Y軸與導(dǎo)軌垂直度誤差及定位誤差等。此外，打印機(jī)框架結(jié)構(gòu)及所用材料剛度對(duì)其穩(wěn)定性也有著很大影響。同時(shí)，不同的材料，其熔點(diǎn)、流動(dòng)性、收縮率等各不相同，這些也都直接影響制品精度。

圖2 層間剝離

2）工藝參數(shù)

（1）溫度

打印溫度包括擠出頭加熱溫度和熱床溫度。擠出頭加熱溫度主要影響材料的粘結(jié)堆積性能及絲材流動(dòng)性。溫度過(guò)低將使材料難以粘結(jié)到熱床上或是發(fā)生如圖2所示的層間剝離，同時(shí)易造成噴嘴堵塞；過(guò)高則會(huì)使材料擠出時(shí)偏于液態(tài)，而不是易于控制的絲狀。熱床溫度直圖2層間剝離接影響打印制品的熱應(yīng)力及其與底板的粘結(jié)力，過(guò)低會(huì)造成翹曲、脫落等現(xiàn)象。

（2）噴嘴直徑與層厚

噴嘴直徑?jīng)Q定擠出絲的寬度，進(jìn)而影響成品精細(xì)程度。由于3D打印的材料是一層一層鋪起來(lái)的，故層厚的設(shè)置同樣也會(huì)影響制品的粗糙度。若選用大直徑的噴嘴、層厚設(shè)置的厚，則打印耗時(shí)短，但成品較粗糙；反之，則耗時(shí)長(zhǎng)，但得到的成品更精細(xì)。打印時(shí)需綜合模型尺寸、用途來(lái)合理選用噴嘴設(shè)置層厚。圖3（a）所示為當(dāng)噴嘴直徑為0.4mm時(shí)打印出的樣件，圖3（b）為選用0.2mm噴嘴直徑所打印樣件，后者表面“臺(tái)階”更窄，更光滑。

圖3 不同直徑噴嘴打印效果

（3）打印速度

3D打印是一個(gè)打印速度與擠出速度相互配合的過(guò)程，二者需要合理匹配才能達(dá)到打印要求。若打印遠(yuǎn)快于擠出，則材料填充不足，導(dǎo)致斷絲；反之則會(huì)使熔絲堆積在擠出頭上，導(dǎo)致材料分布不均。由于桌面打印機(jī)所用材料為絲材，故只需在程序中設(shè)置絲材直徑與打印速度便可，不用設(shè)置擠出速度。打印速度對(duì)制件精度有著關(guān)鍵的影響，不能過(guò)快或者過(guò)慢，需對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)置，如圖4所示，包括輪廓的打印速度、實(shí)體的填充速度、支撐結(jié)構(gòu)打印速度等，并且通常情況下要對(duì)第一層的設(shè)置一個(gè)較慢的速度以提高其成型質(zhì)量，為接下來(lái)的打印提供一好的基礎(chǔ)。

圖4 3D打印機(jī)速度設(shè)置局部界面

（4）填充方式

不同的填充方式對(duì)應(yīng)的打印速度、制品的收縮應(yīng)力也不同。例如，直線填充速度較快，而蜂窩狀填充產(chǎn)生的收縮應(yīng)力較小。在以ABS作為材料時(shí)，選擇蜂窩狀填充可減少翹曲。圖5（a）所示為直線填充的圓柱，每層均為互相垂直的線；圖5（b）為蜂窩狀填充，其上下兩層為直線填充。

圖5 填充方式

（5）冷卻

3D打印是一個(gè)連續(xù)的過(guò)程，完成一層之后即打印下一層，而桌面3D打印機(jī)的制品尺寸都較小，因此在打印PLA等流動(dòng)性較高的材料時(shí)會(huì)出現(xiàn)前一層尚未完全成型，后一層便開(kāi)始在其上打印的情況，這無(wú)疑會(huì)損害制品精度。所以一般3D打印機(jī)都在擠出頭邊設(shè)有如圖6所示的風(fēng)扇，以加快固化過(guò)程。打印前應(yīng)設(shè)置合適的轉(zhuǎn)速，從而獲得較好的成型效果。而有些材料，如ABS，本身流動(dòng)性較低，因而不需要風(fēng)扇進(jìn)行冷卻，否則會(huì)引起制件翹曲。

圖6 3D打印機(jī)冷卻風(fēng)扇

3）支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)置及處理

制件有懸空結(jié)構(gòu)時(shí)，為了不使其塌陷，在打印過(guò)程中，首先要在內(nèi)部打出支撐結(jié)構(gòu)，打印結(jié)束時(shí)再將支撐材料剝離。但這一過(guò)程極易對(duì)制件表面造成破壞，因此，在滿足要求的前提下，支撐結(jié)構(gòu)應(yīng)設(shè)置的盡量少，且所在位置要易于剝離。如圖7所示，需打印零件近似“V”形，左右兩邊有懸空結(jié)構(gòu)，因此設(shè)置了蜂巢狀支撐結(jié)構(gòu)。

圖7 蜂窩型支撐結(jié)構(gòu)

圖8 翹曲現(xiàn)象

4）翹曲分析

3D打印過(guò)程中，絲材經(jīng)歷了由固態(tài)到熔融再到冷卻固化三個(gè)階段。在這一過(guò)程中由于材料體積收縮而產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力會(huì)造成原形的整體變形、翹曲甚至分層。一般室內(nèi)使用桌面3D打印機(jī)制件的翹曲現(xiàn)象十分常見(jiàn)，如圖8所示。

造成翹曲變形主要是由于在分層成型過(guò)程中，材料堆積不同步而引起各層間體積收縮不同，進(jìn)而造成內(nèi)應(yīng)力不等而產(chǎn)生的[9]。若新的堆積層能夠自由收縮，則不會(huì)產(chǎn)生內(nèi)部應(yīng)力，但實(shí)際上，由于新堆積層底面受到已完成部分的外力作用，不能完全收縮，便會(huì)不可避免的產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。

桌面3D打印機(jī)的使用環(huán)境主要為室內(nèi)，溫度難以改變，主要通過(guò)適當(dāng)調(diào)整熱床溫度和風(fēng)扇轉(zhuǎn)速來(lái)減少翹曲發(fā)生。

3 結(jié)論

綜上所述，影響桌面3D打印機(jī)制品精度的因素很多，使用時(shí)要根據(jù)具體情況，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)，選擇合適的噴嘴、填充方式、支撐結(jié)構(gòu)，同時(shí)調(diào)節(jié)適宜的噴嘴尺寸、熱床溫度來(lái)提高制件的精度。制件翹曲主要是由溫度差引起的，可通過(guò)合理調(diào)節(jié)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速和熱床溫度有效改善翹曲。

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