ABS材料對講機外殼設計與3D打印優(yōu)化成型

喬 女

（陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院，西安 710300）

0 引言

本文通過采用有限元分析軟件 ANSYS 中的“單元生死”技術(shù)，綜合考慮ABS塑料隨溫變化的特性以及ABS的“固—液—固”兩次相變過程，基于APDL編寫命令流，建立3D打印模型，進行溫度場分析，計算不同的打印參數(shù)噴頭溫度T1、成形室溫度T2、打印速度V對打印樣件的影響，得出溫度場分析的最優(yōu)化結(jié)論，有效的縮短了計算時間，提高了計算精度。

通過“有限元分析—驗證—改進設備（如有需要）—打印對比—得出優(yōu)化結(jié)果—生產(chǎn)、制造” 這種思路與方法，可以推廣到絕大部分塑料（如PP、PC、PEEK等）的打印中，這樣就可以保證在3D打印設備臺套數(shù)有限的情況下，最大效率的打印各類型材料，有效減少不必要的支出和驗證性實驗過程，具有良好的經(jīng)濟和技術(shù)價值。

1 ABS塑料技術(shù)指標

ABS是一種應用非常廣泛的高分子聚合物，A表示丙烯腈，具有良好的抗沖擊性、耐腐蝕性和抗氧化性，B表示丁二烯，具有良好的韌性，S表示苯乙烯，具有良好的剛性。ABS塑料抗沖擊、耐熱、耐腐蝕、耐低溫、光澤性好、尺寸穩(wěn)定、容易上色等優(yōu)點而成為3D打印的常用原料之一，ABS物理性能參數(shù)如表1所示。

表1 ABS材料物理性能參數(shù)

2 ANSYS溫度場分析

2.1 分析模型的建立網(wǎng)格劃分

利用ANSYS進行分析，選擇合適的尺寸和網(wǎng)格大小有利于提高分析精度和效率，模擬對象設計一個尺寸為12×12×1.2mm薄板狀立方體，用ANSYS中SOLID70劃分網(wǎng)格，確定每個小單元格的尺寸為0.6×0.6×0.3mm，外形為一個六面長方體，共劃分出1600個單元。圖1為3D打印模型溫度場有限元網(wǎng)格模型。未來更好的觀察3D打印過程中溫度場的變化規(guī)律，明確打印開始過程與即將結(jié)束時的狀態(tài)變化，研究好節(jié)點溫度與時間的變化規(guī)律，做好溫度梯度及節(jié)點冷卻過程的分析，需要確定2條掃描線和6個取樣點，如圖2所示。

圖1 打印模型與網(wǎng)格劃分

圖2 掃描線與取樣點

2.2 打印參數(shù)設置

本文主要考慮3D打印過程中噴頭溫度T1、成形室溫度T2、打印速度V三個條件對打印樣件的影響。通過ANSYS更加直觀的分析在這三個參數(shù)下，樣件的溫度場分布，分別編寫命令流后開始進行有限元分析，并對節(jié)點—溫度變化、溫度梯度、節(jié)點冷卻時間和冷卻速率進行分析，得出分析結(jié)果，參數(shù)設置如表3所示。

2.3 不同打印參數(shù)對溫度場分布影響分析

1）噴頭溫度T1的影響如圖3所示，分別為噴頭溫度T1在190℃、200℃、210℃三種情況下的溫度場分布，由于ABS塑料的熔點在190℃左右，也具有較大的熔融區(qū)間，最高可達到280℃～320℃，材料只要在熔融區(qū)間內(nèi)都可以從噴頭順利擠出。從云圖中可以看出，在整個打印過程中，T1值越高，圖中的高溫區(qū)域也就越大，同樣低溫區(qū)也在擴大，但是整體影響相對較小。

圖3 不同噴頭溫度（T1）打印完成時的溫度場

2）成形室溫度T2的影響

如圖4所示，分別為噴頭溫度T2在70℃、80℃、90℃三種情況下的溫度場的分布，最低溫度圖4(a)為95.52℃，圖4(b)為103.56℃，圖4(c)為111.59℃，均在ABS軟化點下，可以成型打印。從圖中的分析結(jié)果可以看出隨著的T2的升高，模型的整體溫度也升高，溫度場分布相對的也趨于穩(wěn)定。在T2=70℃時，溫度分布不均勻，隨著T2溫值升高，整體溫度差越小，當T2=90℃時的溫度變化范圍比較合理。如果溫度繼續(xù)升高，則ABS始終處于過熔融狀態(tài)、不利于冷卻成型，打印產(chǎn)品容易出現(xiàn)焦糊和崩塌現(xiàn)象。

表2 不同條件下3D打印參數(shù)設置

圖4 不同成型室溫度（T2）打印完成時的溫度場

3）打印速度V的影響

如圖5所示，分別為打印速度V在20mm/s、30mm/s、40mm/s三種情況下的溫度場分布。三種情況下對應的最低溫度分別為108.91℃、111.59℃、115.90℃，均可成型。但是從圖5(a)來看，整體溫差較大，梯度變化非常明顯，在成型時容易出現(xiàn)下一層還在打印而上一層已經(jīng)凝固的現(xiàn)象；圖5(c)來看，隨整體溫差變化小，溫度場分布也區(qū)域穩(wěn)定，但是冷卻緩慢容易出現(xiàn)粘連或翹曲的現(xiàn)象。

圖5 不同打印速度（V）打印完成時的溫度場

3 數(shù)據(jù)計算與優(yōu)化

3.1 節(jié)點溫度—時間變化分析

設置打印條件為：噴頭溫度T1=200℃；成形室溫度T2=90℃；打印速度V=30mm/s，通過分析得出圖6，從圖中可以得出：

1）圖中a1、a2、a3點變化相對比較一致，出現(xiàn)四次波峰，且每次波峰逐漸減小，這與前文的設置正好吻合。以a1點為例進行分析：第1次波峰時間，正好噴頭開始工作，熔化的ABS材料經(jīng)噴頭射出，溫度快速達到預置值200℃，然后溫度逐漸降低；第二次波峰時間，為t=8s時正好十字交叉打印第二層，噴頭在a1點上方噴射，所以溫度再一次升高，但升高溫度明顯弱于第一次，以此類推分別為第三層、第四層，所以出現(xiàn)四次波峰。

2）上面已經(jīng)提到t=8s時改變打印方向（轉(zhuǎn)變90°）開始打印第二層，此時噴頭在a1點上方進行打印沉積，a1點溫度則出現(xiàn)二次上升后下降的現(xiàn)象，a2、a3點溫度分別于t=12s、t=16s達到第二個波峰；在t=16s時開始打印第三層，各點則被先后激活，a1和a2點由于散熱時間長，所以其峰值溫度較a3點低，綜合來看：a3點最高、a2點次之、a1點最低，這也基本符合打印的實際情況。

3）t=24s時打印第四層，T1對第一層溫度變化影響不大，表現(xiàn)為圖6(a)中第四個波峰值較前三次明顯降低。

4）圖7(b)所示，c1、c2、c3點在前期還未打印，所以其溫度為成型室假設溫度90℃，打印進行到t=31.6s時，c1、c2、c3三點被依次激活后溫度迅速達到200℃的峰值，然后開始進入冷卻階段，使各點溫度進行自然冷卻。c1點由于最先被激活，所以其冷卻速度收到后續(xù)打印影響，冷卻相對緩慢；c3點最后被激活，后續(xù)沒有打印工作，所以冷卻速度相對c1、c2點要快。以上過程均與實際相符。

5）從圖中分析的結(jié)果來看：6個點均表現(xiàn)出升溫曲線相比降溫曲線要陡的多，這就說明升溫的速度要比冷卻的速度快，特別是c1、c2、c3點表現(xiàn)最為明顯。但是溫度變化速率卻基本上一致，說明掃描方向上各點性能基本一致，從a1、a2、a3點的四次波峰來看，起點與終點溫度峰值的變化差異要比中間點大，說明邊緣、角點的溫度差較高，呈現(xiàn)“端部效應”，而在實際的工作過程中，邊角點處是最容易出現(xiàn)變形、翹曲或打印缺陷的地方，這也完全符合實際工作過程。

圖6 6個取樣點的溫度—時間曲線

3.2 不同打印參數(shù)對a1點溫度梯度影響

以a1點最為基準點，研究噴頭溫度T1、成形室溫度T2、打印速度V三個參數(shù)對溫度梯度的影響，經(jīng)分析后得出圖7的三個參數(shù)曲線，圖7(a)為不同噴頭溫度T1下a1點溫度梯度變化曲線，圖7(b)為不同成型室溫度T2下a1點溫度梯度變化曲線，圖7(c)為不同打印速度V下a1點溫度梯度變化曲線。

從圖中分析：噴頭溫度T1、成形室溫度T2和打印速度V三個參數(shù)對于a1點溫度梯度（Temperature Gradent）的影響曲線均能明顯的看到4次溫度變化，變化趨勢基本一致；溫度梯度值隨T1升高而增加，隨T2升高而降小，但是，從圖7(a)和(b)的分析曲線來看，T1、T2這兩個參數(shù)對a1點的溫度梯度影響較小，不同取值的曲線基本重合；而打印速度V則對溫度梯度的影響相對較大，從圖7(c)可以看出，V值越高，則溫度梯度呈現(xiàn)明顯降低的情況。

根據(jù)仿真結(jié)果推測：在不影響ABS材料成形工藝的前提下，適當?shù)慕档蜏囟忍荻?，可以有效的降低樣件產(chǎn)生翹曲和變形的概率，保證成形質(zhì)量。打印參數(shù)應盡量選擇較低的噴頭溫度T1，較高的成形室溫度T2，并在合理的范圍內(nèi)提高打印速度V，這與前期的假設基本一致。

圖7 不同打印參數(shù)對a1點的溫度梯度影響

3.3 不同打印參數(shù)下c1點冷卻時間分析

3D打印中，噴頭噴射出的ABS材料沉積并粘結(jié)在相對應的位置中，而粘結(jié)時需要能量的，這個能量就是噴頭在噴射時所產(chǎn)生的表面勢能和傳導熱能，而冷卻時間與冷卻速率對粘結(jié)的效果具有一定的影響。一般來說，冷卻時間越長則粘結(jié)的效果越好，單元之間的粘接力也就越大，強度也就高。所以分析冷卻過程的變化對提高成型質(zhì)量具有很重要的意義。在這里取c1點作為研究對象，比較噴頭溫度T1、成形室溫度T2和打印速度V三個參數(shù)對噴射到c1點位置上的ABS絲材沉積時的冷卻過程影響，圖8分別為在不同參數(shù)下的ABS絲材溫度隨路徑變化曲線。

圖8 不同打印參數(shù)下ABS絲材溫度隨路徑變化曲線

從圖中的分析曲線來看體現(xiàn)以下四點：

1）隨著噴頭溫度T1、成形室溫度T2和打印速度V對有效粘結(jié)時間的影響的總體趨勢是一致的，就是隨著噴頭溫度T1、成形室溫度T2和打印速度V的提高，有效粘結(jié)時間就越長。有效粘結(jié)時間越長，ABS分子間的擴散也就越充分，則有效粘結(jié)強度也就增大，打印產(chǎn)品的質(zhì)量也就越高；

2）噴頭溫度T1、成形室溫度T2和打印速度V三個打印參數(shù)中，打印速度V對粘結(jié)時間的影響最大，噴頭溫度T1與成形室溫度T2影響較小；

3）噴頭溫度T1的升高并沒有使有效粘結(jié)時間出現(xiàn)大幅的提高，這其實是符合實際工作的。在實際工作中，當T1值過高時，絲材熔化過度，流動性增強，甚至過高的溫度還會出現(xiàn)焦糊的現(xiàn)象，這樣一來，粘結(jié)強度反會而降低，成型件的表面質(zhì)量、樣件精度和粘結(jié)強度都會產(chǎn)生不利的影響；

4）綜合前面的分析，根據(jù)不同打印條件下參數(shù)的改變與冷卻時間變化關(guān)系，便可以在實際工作過程中確定層間的打印時間間隔，推測出樣件的尺寸極限，有效的避免在打印時出現(xiàn)糊絲、坍塌和斷層的現(xiàn)象。

3.4 各層節(jié)點的冷卻速率分析

取每一層中間點取一節(jié)點來研究分析冷卻速率的影響，圖9為第1、4層節(jié)點溫度—時間變化曲線，從圖中可以看出升溫的速率要遠遠大于及冷卻的速率，在3D打印工作過程中，當噴頭運動到選取的節(jié)點時，則節(jié)點位置迅速升至噴頭溫度，相對冷卻率來看其升溫速率變化非常大。

圖9 各層節(jié)點的溫度-時間變化曲線

3.5 優(yōu)化數(shù)據(jù)

通過ANSYS更加直觀的分析在這三個參數(shù)下，樣件的溫度場分布，分別編寫命令流后開始進行有限元分析，并對節(jié)點—溫度變化、溫度梯度、節(jié)點冷卻時間和冷卻速率進行分析，得出如下分析結(jié)果：

1）噴頭溫度T1、成形室溫度T2、打印速度V三個參數(shù)的值越高，溫度場分布就愈加均勻，成形室溫度T2和打印速度V影響較大；

2）打印速度V越大，則模型整體溫差變化小，溫度場分布也區(qū)域穩(wěn)定，但是過高的打印速度容易形成明顯的打印痕跡，并且冷卻緩慢容易出現(xiàn)粘連或翹曲的現(xiàn)象；

3）起點與終點溫度峰值的變化差異要比中間點大，說明邊緣、角點的溫度差較高，邊角點處是最容易出現(xiàn)變形、翹曲或打印缺陷的地方；

4）據(jù)不同打印條件下參數(shù)的改變與冷卻時間變化關(guān)系，有效的避免在打印時出現(xiàn)糊絲、坍塌和斷層的現(xiàn)象；

綜合分析：確定最佳打印參數(shù)為：噴頭溫度T1=200℃；成形室溫度T2=90℃；打印速度V=30mm/s。

4 實驗驗證

對講機外殼UG實體造型如圖10所示，本次打印采用北京太爾時代公司生產(chǎn)的Inspire D255熔融擠壓快速成形機，其外形結(jié)構(gòu)如圖10所示。具體參數(shù)為：單噴頭成型層厚0.1mm；雙噴頭成型層厚：0.15、0.175、0.2、0.25、0.3、0.35、0.4mm；成型空間：255×290×320mm。設備打印專用軟件Modelwizard導入界面如圖12所示。

圖10 對講機外殼UG造型圖

圖11 熔融擠壓快速成形機

圖12 Modelwizard打印軟件界面

在打印參數(shù)為噴頭溫度T1=200℃和打印速度V=30mm/s均為定值，成型室溫度T2分別為70℃、80℃、90℃三個溫度來打印對講機外殼，如圖13所示為不同T2值的打印細節(jié)對比，T2=70℃外邊輪廓更笨沒有有效融合，說明在尺寸較大的產(chǎn)品打印時，噴頭的軌跡路徑較長，成型室溫度過低，熔化的材料在沉積過程中冷卻速度過快，就會產(chǎn)生這種現(xiàn)象，但是隨著成型室溫度的逐漸升高，效果也在逐漸的好轉(zhuǎn)，成型室溫度T2=90℃，輪廓處沒有“散邊”的現(xiàn)象，材料之間的融合效果較好。這也與ANSYS分析結(jié)果是一樣的。

圖13 不同T2值的打印細節(jié)對比

5 結(jié)束語

本文結(jié)合北京太爾時代公司生產(chǎn)的Inspire D255熔融擠壓快速成形機對ANSYS分析的結(jié)果進行了打印實踐，在不斷的打印與分析過程中找出了最優(yōu)參數(shù)為：噴頭溫度T1=200℃、成型室溫度T2=90℃、打印速度V=30mm/s，為了進一步驗證該參數(shù)的準確性，將對講機外殼的成品按照成型室溫度T2分別為70℃、80℃、90℃三個溫度來進行打印，最終驗證其參數(shù)設置的正確性。按照同樣的思路與方法，可以應用到絕大部分塑料（如PP、PC、PEEK等）的打印，即先有限元分析——再驗證——改進設備（如有需要）——打印分析——得出優(yōu)化結(jié)果——推廣、應用、生產(chǎn)、制造。

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