不同溫度條件下ABS 3D打印人字齒輪的結(jié)構(gòu)分析*

姜 鑫

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不同溫度條件下ABS 3D打印人字齒輪的結(jié)構(gòu)分析*

姜 鑫

（陜西國(guó)防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院 西安710300）

3D打印又稱為快速成形，特別在模具制造、貴重金屬成型等領(lǐng)域極大的縮短了計(jì)算、建模和澆鑄等工序的時(shí)間，在當(dāng)今的工業(yè)和民用領(lǐng)域已經(jīng)有了十分廣泛的應(yīng)用。但是3D打印的質(zhì)量與噴頭溫度、成形室溫度和打印速度這三個(gè)參數(shù)密不可分，通過設(shè)計(jì)一種人字齒結(jié)構(gòu)，整體材料選用ABS塑料，利用超聲波探傷儀對(duì)三種成型溫度打印出的人字齒輪內(nèi)部缺陷進(jìn)行檢測(cè)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，得出成型溫度對(duì)成型零件的影響，用最優(yōu)結(jié)果打印樣件，具有很強(qiáng)的理論和應(yīng)用價(jià)值。

超聲波 溫度 3D打印 檢測(cè)

3D打印是近些年新興的一種工業(yè)快速成型技術(shù)，又稱為三維打印、快速成型、三維成型機(jī)、立體打印等，在當(dāng)今的工業(yè)和民用領(lǐng)域已經(jīng)有了試探性的應(yīng)用，特別在模具制造、貴重金屬成形、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析上大大縮短了建模、澆鑄等工序的時(shí)間，提高了效率。但是3D打印的成品質(zhì)量要受到很多外界環(huán)境的影響，比如溫度、濕度、干擾源、振動(dòng)頻率等，特別是噴頭溫度、成形室溫度和打印速度這3個(gè)參數(shù)對(duì)打印件質(zhì)量有著至關(guān)重要的影響。通過設(shè)計(jì)一種人字型圓柱齒輪，整機(jī)采用ABS塑料，分別在30℃、60℃和90℃這三種不同成型溫度條件進(jìn)行打印，結(jié)合數(shù)字超聲波探傷儀檢測(cè)內(nèi)部缺陷，找出成型溫度對(duì)打印零件的影響。

1 人字型圓柱齒輪的設(shè)計(jì)及3D打印設(shè)置

利用PRO/E軟件設(shè)計(jì)一種人字型圓柱齒輪，參數(shù)為法向模數(shù)2.5 mm，齒數(shù)20，齒寬10 mm，法向壓力角20°，左旋，螺旋升角20°，節(jié)圓直徑53 mm，頂圓直徑58 mm，法向變位系數(shù)0，齒根圓角半徑0.25 mm，具體結(jié)構(gòu)見圖1所示，其三維造型如圖2所示。

圖1 人字齒結(jié)構(gòu)圖

圖2 人字齒三維視圖

設(shè)計(jì)后的人字齒輪導(dǎo)入到三維打印軟件Model Wizard中，導(dǎo)入過程及分析如圖3、4所示，本材料采用增材打印，即采用分層加工、迭加成形，通過逐層增加材料來生成3D實(shí)體，材質(zhì)選用ABS塑料，成形效果如圖5所示。

圖3 Model Wizard 導(dǎo)入界面

圖4 用戶執(zhí)行界面

圖5 人字齒三維打印效果圖

2 不同打印溫度設(shè)置

在打印過程中分別設(shè)置打印成型溫度為30℃，60℃和90℃，如圖6、7、8所示，調(diào)整打印輸出質(zhì)量為普通，開始完成在不同成形溫度條件下的直齒輪打印，打印過程如圖9所示。

圖6 30℃成型溫度設(shè)置

圖7 60℃成型溫度設(shè)置

圖8 90℃成型溫度設(shè)置

圖9 打印過程

3 利用超聲波探傷儀對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行檢測(cè)

超聲波探傷儀是利用超聲波在介質(zhì)中的反射、折射原理，通過檢測(cè)儀器可將超聲波在缺陷處產(chǎn)生的反射、折射波顯示在示波器上，從而確定零件內(nèi)部缺陷的位置、大小和性質(zhì)是用來檢測(cè)零件內(nèi)部缺陷的一種無損檢測(cè)設(shè)備。其原理如圖10所示。沒有缺陷的零件在示波器上僅有一個(gè)始脈沖A和底脈沖C，如果遇到零件內(nèi)部缺陷，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)缺陷脈沖B，我們利用這種方法對(duì)三種成型溫度打印出的人字齒輪的內(nèi)部缺陷進(jìn)行檢測(cè)。

圖10 超聲波檢測(cè)法原理

30℃的打印的人字齒由于成型溫度過低，ABS熔絲還未在表面成型便迅速冷卻，已經(jīng)改變了基本形狀而且存在大量的氣泡，可以判定為殘次品，不需進(jìn)行檢測(cè)，下面分別利用超聲波探傷儀的探頭對(duì)溫度為60℃和90℃成型的人字齒進(jìn)行檢測(cè)得到分別得到兩個(gè)波形，如圖11、12所示。從圖中可以看出，60℃成型的人字齒衰減比較大，90℃成型的人字齒衰減很小，可以看出溫度越高，材料的成型時(shí)的致密性很好，反之溫度越低，材料在成型過程中層次之間結(jié)合的致密性越差，在未達(dá)到完全熔融溫度時(shí)變快速成型，中間存在著很多的氣孔和縮松等缺陷，所以溫度越高，成型的效果越好。

圖11 60℃成型的波形圖

圖12 90℃成型的波形圖

4 結(jié)語

通過利用超聲波探傷儀對(duì)三種成型溫度打印出的人字齒輪監(jiān)測(cè)結(jié)果來看，溫度越高，成形效果越高，零件的致密性越高，內(nèi)部缺陷越少。通過對(duì)ABS塑料成型的零件的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)具有一定的局限性，但是其原理可以對(duì)金屬和其它非金屬材料3D打印零件的檢測(cè)具有指導(dǎo)意義。

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*陜西省教育科學(xué)“十二?五”規(guī)劃課題

編號(hào)：SGH12594