基于快速成型技術(shù)的車載多功能物品架制備工藝研究

肖陽 李青云 李衛(wèi) 張樂 周小俐

摘 要：運(yùn)用3D軟件正向或者逆向創(chuàng)建車載多功能物品架的三維模型，經(jīng)過修改后得到想要打印的產(chǎn)品三維模型，并經(jīng)STL數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后輸入到快速成型設(shè)備系統(tǒng)中，設(shè)置合理的支撐與擺放方式，合理運(yùn)用激光選區(qū)燒結(jié)法、熔融沉積法等快速成型方式，在SLS、FDM成型設(shè)備上完成設(shè)計(jì)產(chǎn)品的打印后，將車載多功能物品架產(chǎn)品原型經(jīng)過一定的后處理，如，支撐材料的去除、固化、修補(bǔ)、打磨、拋光、上色等強(qiáng)化處理等，滿足產(chǎn)品或模型制件的最終要求。

關(guān)鍵詞：快速成型技術(shù) 激光選區(qū)燒結(jié)法（SLS） 熔融沉積法（FDM）

中圖分類號(hào)：TH164 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2016）03（c）-0001-04

快速成型技術(shù)（簡(jiǎn)稱RP），是基于材料堆積法的一種高新制造技術(shù)，是由CAD模型直接驅(qū)動(dòng)的快速制造任意復(fù)雜形狀三維物理實(shí)體的技術(shù)總稱，其工藝過程包括：（1）產(chǎn)品三維模型的構(gòu)建；（2）三維模型的近似處理；（3）三維模型的切片處理；（4）成型加工；（5）成型零件的后處理。該文以車載多功能物品架為載體重點(diǎn)介紹激光選區(qū)燒結(jié)法（SLS）、熔融沉積法（FDM）成型工藝的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了車載多功能物品架的快速數(shù)字化成型技術(shù)[1-2]。

1 三維CAD模型的創(chuàng)建

依據(jù)市場(chǎng)需求、功能要求進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，同時(shí)基于個(gè)性化需求，運(yùn)用3D軟件正向或者逆向創(chuàng)建三維模型，經(jīng)過修改后得到想要打印的產(chǎn)品三維模型。此車載多功能物品架功能定位如下：根據(jù)物品的大小來調(diào)整架子的大小，前面可以放煙灰，后面可以放水杯、飲料等物品，里面的煙灰缸可單獨(dú)使用并可取出清理，煙灰缸、飲料架、手機(jī)座功能三合一，材料須使用環(huán)保、耐火的塑料[3]。

2 車載多功能物品架的SLS工藝成型

采用激光選區(qū)燒結(jié)法（SLS）成型制造工藝過程分為前處理、粉層燒結(jié)疊加成型以及后處理過程3個(gè)階段。

2.1 SLS工藝成型前處理

前處理階段主要完成模型的三維CAD造型，并經(jīng)STL數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后輸入到粉末激光燒結(jié)快速原型系統(tǒng)中。STL文件格式是美國(guó)3D SYSTEMS公司提出的三維實(shí)體造型系統(tǒng)的一個(gè)接口標(biāo)準(zhǔn)，其接口格式規(guī)范。

但在格式轉(zhuǎn)換過程中也要充分考慮零件的結(jié)構(gòu)，設(shè)置相關(guān)參數(shù)才可使打印的零件符合技術(shù)要求。應(yīng)考慮到該件屬薄壁件，在前期造型時(shí)加厚該件壁厚，壁厚一定要大于0.3 mm，最好有2 mm厚度，UG造型后輸出成STL文件格式，設(shè)成三角公差0.02，相鄰公差0.012 5，輸出類型為二進(jìn)制。

多功能物品架連接機(jī)構(gòu)，都是薄壁零件，支撐與擺放就要十分合理，多功能物品連接結(jié)構(gòu)面接觸打印底面，較大面積接觸易發(fā)生翹曲現(xiàn)象，所以，擺放時(shí)盡量斜制擺放，如圖2、圖3所示。

2.2 粉層燒結(jié)疊加成型（SLS）過程

前處理工作完成后，將STL文件用華曙排包軟件進(jìn)行排包處理后進(jìn)行成型燒結(jié)。

首先對(duì)成型空間進(jìn)行預(yù)熱。預(yù)熱是粉層燒結(jié)疊加成型工藝中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，沒有預(yù)熱，或者預(yù)熱溫度不均勻，將會(huì)使成型時(shí)間增加，所成型零件的性能低和質(zhì)量差，零件精度差，或使燒結(jié)過程完全不能進(jìn)行。對(duì)粉末材料進(jìn)行預(yù)熱，一般需要預(yù)熱到100 ℃左右，這樣可以減小因燒結(jié)成型時(shí)受熱在工件內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，防止其產(chǎn)生翹曲和變形，提高成型精度。在預(yù)熱階段，根據(jù)原型結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)設(shè)定建造工藝參數(shù)，如，層厚、激光掃描速度和掃描方式、激光功率、燒結(jié)間距等。當(dāng)成形區(qū)域的溫度達(dá)到預(yù)定值時(shí)，便可以啟動(dòng)制作了。

所有疊層自動(dòng)燒結(jié)疊加完畢后，需要將原型在成型缸中緩慢冷卻至40 ℃以下，取出原型并進(jìn)行后處理。

燒結(jié)工藝參數(shù)對(duì)精度和強(qiáng)度的影響是很大的。如圖4所示的燒結(jié)成型過程中，當(dāng)激光功率、掃描速度和方向及間距、燒結(jié)溫度、燒結(jié)時(shí)間以及層厚度等對(duì)層與層之間的粘接、燒結(jié)體的收縮變形、翹曲變形甚至開裂都會(huì)產(chǎn)生影響，如圖5所示因溫度調(diào)整不當(dāng)造成薄壁較長(zhǎng)件產(chǎn)品的翹曲變形[4]。

2.3 SLS成型工藝后處理

燒結(jié)完成后，需要將打印的產(chǎn)品靜置一段時(shí)間，使得成型的粉末和粘結(jié)劑之間通過交聯(lián)反應(yīng)、分子間作用力等作用固化完全。然后用刷子將周圍大部分粉末掃去，剩余較少粉末可通過機(jī)械振動(dòng)、微波振動(dòng)、不同方向風(fēng)吹等除去。表面紋理是重中之重，不是所有的打印產(chǎn)品都是最終產(chǎn)品，有的還需要二次處理，如，打磨或拋光等。

3 車載多功能物品架的FDM工藝成型

對(duì)于多功能物品架的部分薄壁零件，選擇3D打印成型強(qiáng)度較好的熔融沉積（FDM）成型方式。

3.1 FDM工藝成型前處理

完成模型的三維CAD造型，并經(jīng)STL數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后輸入到FDM快速原型系統(tǒng)中。

多功能物品架建議分拆打印，然后組裝成型。建議每層打印厚度在0.03 mm最佳，對(duì)于薄壁零件避免豎直擺放，影響成型效果，打印填充方式盡量選擇“堅(jiān)固”方式，才能保證薄壁零件韌性與強(qiáng)度。

打印支撐方式、支撐材料的最小值與零件的質(zhì)量和移除支撐材料的難易程度之間總會(huì)形成一種平衡。零件在打印平臺(tái)上的方向，決定使用多少支撐材料和移除支撐材料的難易程度。一般情況下，外部支撐比內(nèi)部支撐更容易移除，開口向上將比向下節(jié)省更多的支撐材料，支撐材料在節(jié)耗性、牢固性和易除性上有良好的平衡點(diǎn)，如圖6、 圖7所示。

3.2 熔融沉積成型（FDM）過程

FDM成型工藝的關(guān)鍵是保持半流動(dòng)成型材料的溫度剛好在熔點(diǎn)之上（比熔點(diǎn)高1 ℃左右）。其每一層片的厚度由擠出絲的直徑?jīng)Q定，通常是0.25～0.50 mm。

使用FDM設(shè)備在打印產(chǎn)品模型時(shí)，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)邊緣翹起的情況，這是由于平臺(tái)表面預(yù)熱不均造成的。在進(jìn)行大尺寸模型打印之前，預(yù)熱是必不可少的。熔融沉積成型是通過將絲狀材料如熱塑性塑料、蠟或金屬的熔絲從加熱的噴嘴擠出，按照零件每一層的預(yù)定軌跡，以固定的速率進(jìn)行熔體沉積。每完成一層，工作臺(tái)下降一個(gè)層厚進(jìn)行迭加沉積新的一層，如此反復(fù)最終實(shí)現(xiàn)零件的沉積成型。

FDM成型工藝主要考慮以下5個(gè)因素的影響：（1）材料性能的影響；（2）噴頭溫度和成型室溫度的影響；（3）填充速度與擠出速度的交互影響；（4）分層厚度的影響；（5）成型時(shí)間的影響。

3.3 FDM成型工藝后處理

FDM產(chǎn)品成型后，須將產(chǎn)品原型經(jīng)過一定的后處理，如，支撐材料的去除、固化、修補(bǔ)、打磨、拋光、上色等強(qiáng)化處理等，才可滿足產(chǎn)品或模型制件的最終要求。

當(dāng)工件表面有較明顯的小缺陷而需要修補(bǔ)時(shí)，可進(jìn)行小范圍的修補(bǔ)、打磨和拋光來提高成型制件的表面。例如：在成型制件的小缺陷處借助一些小電動(dòng)工具、砂紙、小型打磨機(jī)、拋光，采用乳膠與細(xì)粉料調(diào)和而成的膩?zhàn)踊驘崛坌运芰稀袷嗟炔牧线M(jìn)行小范圍的填補(bǔ)，再用砂紙打磨與拋光。

4 結(jié)論

運(yùn)用3D軟件正向或者逆向創(chuàng)建車載多功能物品架三維模型，選擇SLS、FDM快速成型方式，在成型設(shè)備上完成設(shè)計(jì)產(chǎn)品的打印以及后處理過程。

（1）基于多功能物品架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)選擇合適的快速成型方式，如，SLS、FDM等成型方式，以及前期準(zhǔn)備，對(duì)于復(fù)雜零件分拆打印，合理布局，選擇好合適打印層厚，保證其精度、硬度、韌性符合產(chǎn)品功能。

（2）打印過程中，考慮車載多功能物品架擺放是否有利于拆裝與材料的損耗，打印質(zhì)量選擇，計(jì)算打印成本。

（3）成型后處理，去除粉末或去除支撐材料、打磨、拋光、上色等強(qiáng)化處理等，滿足產(chǎn)品或模型制件的最終要求。

參考文獻(xiàn)

[1] 顏永年.先進(jìn)制造技術(shù)[M].化學(xué)工業(yè)出版社，2002.

[2] 劉艷申.工藝亭子三維造型與3D打印[J].電子測(cè)試，2016（7）：17-19.

[3] 陳嬋娟.基于Unigraphics的車用多功能架快速成型技術(shù)研究[J].當(dāng)代農(nóng)機(jī)，2014（9）：68-69.

[4] 聶建華，李洲祥，林躍華.SLS工藝三維打印用高性能快速成型粉末材料和粘接溶液的研制[J].塑料工業(yè)，2014（2）：60-64.