FDM 3D打印參數(shù)對(duì)打印件精度的影響研究①

王 微， 闞玉錦， 王宏琴, 王 剛

(1. 安徽機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械系，安徽 蕪湖 241000；2. 安徽工程大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院， 安徽 蕪湖 241000)

0 引 言

熔融沉積成型(FDM)是目前應(yīng)用較為成熟的增材制造技術(shù)之一，這種快速成型技術(shù)具有設(shè)備制造運(yùn)行成本低廉、可打印材料廣泛、生產(chǎn)周期短等優(yōu)點(diǎn)[1]。在FDM打印材料中以高分子材料使用最為廣泛，其中聚乳酸PLA因?yàn)榫哂锌山到?、環(huán)保無(wú)毒性，是常用的FDM打印材料。熔融沉積成型打印制件的質(zhì)量在很大程度上取決于打印參數(shù)，為此業(yè)界在打印工藝參數(shù)、切片參數(shù)、掃描速度等做了系統(tǒng)研究[2～8]。韓善靈[9]等通過(guò)試驗(yàn)研究，提出一些提高FDM 打印精度的方法如采用接口替代STL格式減少文件轉(zhuǎn)換過(guò)程中的誤差，同時(shí)選取合適工藝參數(shù)以及成型位置方向，改善打印機(jī)結(jié)構(gòu)等來(lái)提高打印精度。鄔宗鵬[10]等的研究結(jié)果表明成型角度、分層厚度、填充間隔、填充線寬對(duì)試件尺寸精度均有較明顯的影響，填充間隔、填充線寬對(duì)打印件的機(jī)械性能也有顯著影響。南京師范大學(xué)楊繼全[11]等、合肥工業(yè)大學(xué)韓江[12]等借助正交試驗(yàn)法，選擇出最優(yōu)的參數(shù)配比實(shí)現(xiàn)了打印參數(shù)的優(yōu)化論文作者借助FDM設(shè)備及Cura切片軟件，采用柔性熔融材料PLA進(jìn)行打印工藝研究，綜合考察打印溫度、打印時(shí)間、分層厚度以及打印模型的擺放位置對(duì)制件打印質(zhì)量與效率的影響，分析影響打印精度的主要參數(shù)，為后續(xù)打印參數(shù)的調(diào)試積累原始數(shù)據(jù)與經(jīng)驗(yàn)，這對(duì)于快速獲取零件最優(yōu)工藝參數(shù)具有實(shí)際的指導(dǎo)意義。

1 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)采用的規(guī)格為Ф1.75mm的PLA作為打印材料，使用桌面型FDM 3D打印機(jī)制作長(zhǎng)方體形試件，該打印機(jī)打印精度為0.08mm～0.3mm，試件的尺寸大小為25mm(長(zhǎng)度)×15mm(高度)×10mm(寬度)。利用三水平三因素正交試驗(yàn)法，設(shè)計(jì)了9組試驗(yàn)參數(shù)，文中主要考慮因素為打印溫度(A因素)、分層厚度(B因素)以及打印速度(C因素)，具體實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1所示。打印件采用UG軟件建模，導(dǎo)出STL格式后，使用Cura軟件對(duì)其進(jìn)行分層切片、打印參數(shù)、打印速度等參數(shù)設(shè)置。

圖1 不同擺放位置

使用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)和粗糙度測(cè)量?jī)x測(cè)量制備的試件尺寸及表面粗糙度Ra，研究不同工藝參數(shù)對(duì)打印件外形尺寸及表面粗糙度的影響。

表1 打印工藝參數(shù)

2 結(jié)果與分析

2.1 打印參數(shù)對(duì)打印件外形尺寸精度影響

表2為打印制件在不同打印參數(shù)下的實(shí)際尺寸及相對(duì)誤差表?？傮w上來(lái)看，制件長(zhǎng)、寬、高三個(gè)方向的尺寸均有不同程度的收縮，其中寬度方向尺寸收縮最大、精度較差，長(zhǎng)度和高度方向上收縮相對(duì)較小、精度相對(duì)較高。在打印溫度210 ℃、分層厚度0.06 mm、打印速度60 mm/s的情況下(即試驗(yàn)號(hào)4)，長(zhǎng)度方向尺寸較好，其收縮率僅為0.0496 %。在打印溫度220 ℃、分層厚度0.1 mm、打印速度40 mm/s的情況下(即試驗(yàn)號(hào)8)，寬度和高度方向尺寸較好。由此可以看出，各參數(shù)因素對(duì)制件各方向尺寸精度影響水平有差異，存在方向性。這種不同工藝水平對(duì)打印精度影響具有方向性，給后續(xù)打印帶來(lái)了一些啟示，即在打印時(shí)可以根據(jù)實(shí)際需要去控制打印件的方向，從而獲得某一方向上成形尺寸較好的零件，實(shí)現(xiàn)成型件的精確加工。如何提高打印精度一直是相關(guān)研究者比較關(guān)注的問(wèn)題，在由CAD模型轉(zhuǎn)換為STL格式時(shí)也會(huì)出現(xiàn)精度損失，其次在切片的過(guò)程中也會(huì)出現(xiàn)精度損失以及機(jī)器本身也有一定的誤差,有些研究者提出可以使用STEP格式來(lái)取代STL，以減少轉(zhuǎn)換誤差[9]。

表2 打印件外形尺寸及相對(duì)誤差

2.2 打印參數(shù)對(duì)表面粗糙度的影響

表3是不同試驗(yàn)參數(shù)下打印件水平表面和豎直表面的粗糙度值。由于FDM工藝是一種逐層熔融沉積技術(shù)，制件豎直方向的表面正是打印材料沿成型方向?qū)訉佣逊e而成， 加上這種工藝自身存在的“臺(tái)階”效應(yīng)，造成豎直表面精度要比水平表面精度差。從表3中可以看到，試驗(yàn)號(hào)為3、6、9的打印件，分層厚度為2mm，盡管打印速度較其他對(duì)比組慢，但豎直表面粗糙度仍較差，說(shuō)明豎直表面粗糙度受分層厚度影響程度較大。水平表面上試驗(yàn)號(hào)為1、3、7、9的試驗(yàn)組表面精度較好，其中3號(hào)試驗(yàn)組的精度最高， 其試驗(yàn)條件為打印溫度200℃、分層厚度0.2mm、打印速度40mm/s，對(duì)比其他組的試驗(yàn)條件說(shuō)明水平表面的表面粗糙度主要受打印速度的影響，即使分層厚度較厚，但由于受噴嘴直徑尺寸的影響，當(dāng)以較慢速度打印時(shí)仍能獲得較好的表面質(zhì)量。

表3 不同打印參數(shù)下制件表面粗糙度Ra(μm)

2.3 擺放位置對(duì)3D打印的影響

打印過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，擺放位置對(duì)打印件的精度及打印時(shí)間等存在明顯的影響。在打印參數(shù)相同時(shí)，模型的擺放位置越高時(shí)，需要的打印時(shí)間越長(zhǎng)，如圖1所示。打印制件采用圖1(a)擺放方式打印時(shí)所需要的打印時(shí)間為17min， 采用1(b)擺放方式打印時(shí)所需要的打印時(shí)間為12min 。這是因?yàn)槟Ｐ蛿[放較高時(shí)，切片層數(shù)越多，如文中研究的制件，圖1(a)分層層數(shù)(打印層數(shù))為166，圖1(b)分層層數(shù)(打印層數(shù))為66，在一定程度上增加了噴頭運(yùn)行時(shí)間，故此打印時(shí)間增加。對(duì)于打印的表面精度而言，無(wú)論采用哪種擺放方式，在打印過(guò)程中均發(fā)現(xiàn)由于沿著材料堆積方向的豎直面受“臺(tái)階”效應(yīng)的影響，其表面均比較水平面粗糙，如圖1(b)所示，該結(jié)論也與表3測(cè)試結(jié)果吻合。

3 結(jié) 論

采用FDM 熔融沉積成型工藝及PLA打印耗材, 在不同打印參數(shù)下制備了制件。研究了打印溫度、打印時(shí)間、打印速度和擺放位置對(duì)打印質(zhì)量的影響。結(jié)論如下：

(1) 各參數(shù)因素對(duì)制件各方向尺寸精度影響水平有差異，存在方向性，打印過(guò)程中制件均出現(xiàn)了不同程度收縮；

(2) 由于臺(tái)階效應(yīng)的影響，在打印參數(shù)一致時(shí)，水平方向的表面精度好于豎直方向(打印堆疊方向)的表面精度，在試驗(yàn)條件為打印溫度200℃、分層厚度0.2mm、打印速度40mm/s時(shí)得到的水平面精度最高；

(3) 擺放位置對(duì)打印件的精度及打印時(shí)間等存在明顯的影響。在打印參數(shù)相同時(shí)，模型的擺放位置越高時(shí)，需要的打印時(shí)間越長(zhǎng)。