FDM變重力成形試驗(yàn)研究*

王 震，李秀杰，鞏維艷，祁俊峰

(北京衛(wèi)星制造廠有限公司，北京 100094)

增材制造技術(shù)(又稱3D打印技術(shù))給空間任務(wù)執(zhí)行和資源保障模式帶來了突破性改變。其特點(diǎn)是可以滿足應(yīng)急維修保障、實(shí)驗(yàn)支持及有效載荷制造等在軌需求[1]。空間制造能力對太空探索具有重要意義，空間3D打印是實(shí)現(xiàn)空間制造的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)[2-4]。FDM(Fused Deposition Modeling)是目前3D打印技術(shù)中空間應(yīng)用成熟度最高的成形方式，美國Made In Space公司已在國際空間站運(yùn)用該技術(shù)成功打印出ABS扳手[5-7]。目前，國內(nèi)對FDM空間應(yīng)用的研究尚處于地面模擬試驗(yàn)階段，關(guān)于太空微重力環(huán)境對3D打印工藝的影響尚不清楚，因此開展地面模擬試驗(yàn)，研究重力對FDM成形過程的影響至關(guān)重要。

對于微重力環(huán)境的模擬試驗(yàn)，通常采用拋物線飛行法、落塔試驗(yàn)法、懸浮法和懸吊法等。其中，落塔試驗(yàn)每個(gè)下落周期的微重力時(shí)間僅為3～4 s，如此短時(shí)間內(nèi)很難開展有效的空間FDM模擬工藝試驗(yàn)；懸浮法與懸吊法通常以太陽翼或天線等為對象，以多處點(diǎn)線的支撐或懸吊來抵消整體結(jié)構(gòu)的重力作用，該方法無法對微重力場進(jìn)行模擬[8-11]；對于拋物線飛行法，目前，我國尚不具備開展該試驗(yàn)的保障能力。因此，綜合考慮成本和易操作性等因素，本文采用變方位FDM增材制造的間接試驗(yàn)方法，從側(cè)面研究重力變化對FDM成形過程的影響。

1 試驗(yàn)條件及方法

1.1 試驗(yàn)條件

參照GB/T 1040—2006、GB/T 9341—2008、GB/T 1041—2008和JC/T 773—2010，利用自主研發(fā)的空間FDM原理樣機(jī)打印PLA材料的標(biāo)準(zhǔn)試樣。力學(xué)性能測試采用型號5567的萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行。

為避免其他因素對研究結(jié)果的影響，保持不同方位下打印參數(shù)一致。設(shè)定打印溫度為220 ℃，每層打印厚度為0.1 mm，打印速度為70 mm/s，填充率為100%，其他參數(shù)選擇設(shè)備默認(rèn)值。

1.2 試驗(yàn)方法

重力對FDM成形過程的影響主要表現(xiàn)為擠出方向上重力變化引起的效應(yīng)。盡管地面上試驗(yàn)設(shè)備、試樣處于重力作用的狀態(tài)下，而不是失重(微重力)狀態(tài)，但擠出方向上重力變化是可以實(shí)現(xiàn)的。為了表征重力方向?qū)DM熔體沉積效果的影響，采用調(diào)整打印機(jī)擺放角度α營造不同的重力環(huán)境，改變PLA沉積方向來進(jìn)行變重力成形試驗(yàn)，間接分析空間微重力環(huán)境對FDM成形過程的影響。成形示意圖如圖1所示，其中，F(xiàn)為材料層間結(jié)合力，G為重力，重力在推壓擠出方向的分力是Gcosα。

圖1 變重力成形示意圖

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 成形質(zhì)量分析

將打印機(jī)分別按照水平、倒置180°、水平狀態(tài)旋轉(zhuǎn)15°和倒置狀態(tài)下旋轉(zhuǎn)15°等4種狀態(tài)擺放(見圖2)。

圖2 打印機(jī)4種擺放狀態(tài)圖

在4種擺放狀態(tài)下，試樣分別在+G、+Gcos15°、-Gcos15°和-G等4種重力環(huán)境下打印成形。在+G環(huán)境下，即設(shè)備正向放置狀態(tài)下，試樣依靠F+G成形；在+Gcos15°環(huán)境下，即設(shè)備正向放置時(shí)，將設(shè)備傾斜15°，試樣依靠F+Gcos15°成形；在-Gcos15°環(huán)境下，即當(dāng)設(shè)備倒向放置時(shí)，將設(shè)備傾斜15°，試樣依靠F-Gcos15°成形；在-G環(huán)境下，即當(dāng)設(shè)備倒向放置時(shí)，試樣依靠F-G成形。

2.1.1 不同重力下表面質(zhì)量分析

4種重力環(huán)境下成形試樣的表面質(zhì)量和端面質(zhì)量對比圖如圖3和圖4所示。由圖3可以看出，試樣表面質(zhì)量在+G環(huán)境下最好，-G環(huán)境下次之，Gcos15°環(huán)境下較差，-Gcos15°環(huán)境下最差；在+G環(huán)境下和-G環(huán)境下成形的試樣整體表面紋路細(xì)致均勻，表面光滑，試樣輪廓規(guī)則。由圖4可以看出，+G環(huán)境下試樣兩端翹曲現(xiàn)象不明顯，-G環(huán)境下成形試樣一端輕微向上表面翹曲；+Gcos15°和-Gcos15°環(huán)境下成形的試樣表面紋路較深，表面粗糙，試樣兩端均有明顯翹曲現(xiàn)象發(fā)生，打印停止端比另一端翹曲更為明顯，上下表面輪廓較大，打印停止端部分試樣有明顯多余積料。

圖3 試樣表面質(zhì)量對比圖

圖4 試樣端面質(zhì)量對比圖

2.1.2 不同重力下尺寸精度分析

不同重力下尺寸精度分析如下。

1)在+G和-G環(huán)境下，成形試樣輪廓規(guī)則，成形精度較高。長度尺寸150 mm內(nèi)尺寸偏差集中在0.1 mm之內(nèi)，個(gè)別試樣在0.2 mm，寬度尺寸10 mm內(nèi)尺寸偏差集中在0.2 mm之內(nèi)，打印試樣厚度一致性較高，試樣厚度尺寸集中在(4±0.1) mm。

2)在+Gcos15°和-Gcos15°環(huán)境下，成形試樣輪廓一致性較差，尺寸偏差較大。長度尺寸150 mm內(nèi)尺寸偏差集中在0.2 mm，寬度尺寸10 mm內(nèi)尺寸偏差集中在0.3 mm之內(nèi)，打印試樣厚度穩(wěn)定性低，厚度4 mm的試樣尺寸偏差集中在0.2 mm，局部偏差達(dá)到0.4 mm。

2.2 力學(xué)性能分析

4種重力環(huán)境下成形試樣的抗拉強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、壓縮強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度對比圖分別如圖5～圖8所示。

圖5 試樣抗拉強(qiáng)度對比圖

圖6 試樣彎曲強(qiáng)度對比圖

圖7 試樣壓縮強(qiáng)度對比圖

圖8 試樣剪切強(qiáng)度對比圖

由圖5可以看出，在+Gcos15°環(huán)境下試樣抗拉強(qiáng)度最高，-Gcos15°環(huán)境下次之， +G環(huán)境下試樣抗拉強(qiáng)度比-G環(huán)境下略高；傾斜狀態(tài)下打印的試樣抗拉強(qiáng)度整體要比打印機(jī)平放狀態(tài)下打印試樣的高。

由圖6可以看出，-G與+G環(huán)境下成形的試樣彎曲強(qiáng)度大小基本一致，+Gcos15°環(huán)境下相比-Gcos15°環(huán)境下成形的試樣彎曲強(qiáng)度高；平放狀態(tài)下打印的試樣彎曲強(qiáng)度整體要比傾斜狀態(tài)下打印試樣的高。

由圖7可以看出，+Gcos15°、-G和+G環(huán)境下成形的試樣壓縮強(qiáng)度大小相近，-Gcos15°環(huán)境下成形的試樣壓縮強(qiáng)度最差。

由圖8可以看出，不同狀態(tài)下試樣的剪切強(qiáng)度相近，+Gcos15°環(huán)境下試樣剪切強(qiáng)度最高，-Gcos15°環(huán)境下次之，-G環(huán)境下試樣剪切強(qiáng)度比+G環(huán)境下略高。

3 微觀環(huán)境下FDM成形數(shù)學(xué)模型

圖9為FDM技術(shù)微觀成形示意圖。其中，D為噴嘴直徑，B為打印寬度，ΔH為單元打印高度，ΔV1為單元打印體積，ΔV2為單元擠出體積。在空間微重力或零重力環(huán)境下，噴嘴熔融擠出大小為噴嘴直徑D的球形PLA，為保證PLA能夠穩(wěn)定粘接在一起，應(yīng)始終保證成形過程中以層間結(jié)合力為主導(dǎo)，即要求打印瞬間消耗材料體積不應(yīng)大于瞬間輸出材料體積，由此推算出打印層高H的范圍。

圖9 FDM微觀成形示意圖

由公式：

可以推算出：

因此，在空間微重力環(huán)境下，通過調(diào)整打印材料首層與基板間隙，精確控制每層成形高度，可以實(shí)現(xiàn)空間FDM技術(shù)無約束成形。

4 結(jié)語

本文開展了FDM變重力成形試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，F(xiàn)DM增材制造技術(shù)在不同重力環(huán)境下均具有成形標(biāo)準(zhǔn)試樣的能力。由不同重力環(huán)境下試樣性能對比分析可以得出，F(xiàn)DM成形主要依靠層間結(jié)合力的作用，重力對FDM成形過程的影響作用較小，層間結(jié)合力是影響PLA成形性能的主要因素；因此，在空間微重力環(huán)境下，只要保證成形過程中材料結(jié)合力發(fā)揮主導(dǎo)作用，F(xiàn)DM技術(shù)即具有在空間微重力環(huán)境下的成形能力。不同重力環(huán)境下成形的標(biāo)準(zhǔn)試樣性能有一定的差異，說明重力對成形質(zhì)量具有一定的影響，而在空間微重力環(huán)境下，重力較小，對成形性能影響不大。