FDM工藝參數及后處理對PLA筒形件成型質量的影響

劉 健，南思豪，關舒文，劉 博

(1.西安理工大學印刷包裝與數字媒體學院， 西安 710048；2.深圳勁嘉集團股份有限公司，廣東 深圳 518000)

0 前言

1 實驗部分

1.1 主要原料

PLA打印耗材，直徑為3 mm，珠海金駱駝科技有限公司；

二氯甲烷(CH2Cl2)溶液拋光劑，濃度≥99.5 %，天津富宇精細化工有限公司。

1.2 主要設備及儀器

桌面FDM 3D打印機，Ultimaker2+，荷蘭Ultimaker公司；

數顯式游標卡尺，91511，上海世達工具有限公司；

觸針式表面粗糙度測量儀，TR200,北京凱達科儀科技有限公司；

恒溫數顯水浴鍋，HH-S1，金壇市大地自動化儀器廠；

共聚焦測量顯微鏡，LEICA DCM 3D，德國徠卡公司。

記錄手術時間、出血量和骨水泥注射量。觀察術中術后有無脊髓神經功能損害、肺栓塞，術后有無感染等并發(fā)癥發(fā)生。采用視覺模擬疼痛評分（visual an?alogue scale,VAS） ［11］，Oswestry 功能障礙指數（Os?westry disability index,ODI） ［12］以及 WHO 疼痛緩解判定標準［13］評價臨床效果。

1.3 樣品制備

采用Solidworks軟件繪制出外徑為20 mm、內徑為10 mm、高度為25 mm的圓筒模型，保存為Cura切片軟件可識別的STL格式，然后將其導入3D打印機中進行逐層打印；采用4因素4水平進行正交試驗設計，研究分層厚度、噴頭溫度、打印速度和填充率對試樣尺寸精度的影響，確定最優(yōu)工藝參數組合；因素水平表如表1所示，根據各因子數和水平數，選取L16(45)正交試驗表進行正交試驗，如表2所示；根據表2給出的試驗條件打印模型，為了降低偶然因素的影響，每組試驗成型3個試樣，共48個試樣;

表1 因素水平表

Tab.1 Factor level table

表2 正交試驗表

Tab.2 Orthogonal test table

為降低試樣的表面粗糙度，基于物質相似相溶原理以及溶解度參數理論[8]，采用蒸汽平滑技術對圓筒試樣進行表面拋光處理;基于PLA與CH2Cl2均為弱極性材料，且兩者溶解度參數相近(PLA：19～20.5，CH2Cl2：20.378)，因此選擇CH2Cl2為有機拋光試劑，研究處理溫度和處理時間對表面粗糙度的影響;

由于CH2Cl2的沸點為39.8 ℃，PLA的玻璃化轉變溫度為60～65 ℃，所以本文選取后處理溫度為40、45、50 ℃3個水平值；拋光時間設置為4、5、6、7、8 min 5個水平值。以最優(yōu)打印參數下成形的筒形件為研究對象，對其進行表面蒸汽平滑處理;選擇恒溫數顯水浴鍋作為加熱裝置，選用耐蝕性和密封性良好的玻璃干燥皿為盛放CH2Cl2的容器，將試樣放置于玻璃干燥皿中部的陶瓷孔板上，當水浴鍋的加熱溫度超過CH2Cl2的沸點溫度后，有機溶劑將以蒸汽的形式充滿玻璃干燥皿，吸附在試樣表面，將表面的“峰頂”和“波谷”輕度溶解;在重力和表面張力的作用下，“峰頂”和“波谷”的溶液相互融合，達到“削峰填谷”的效果。蒸汽平滑試驗裝置如圖1所示。

圖1 PLA試樣表面蒸汽平滑試驗裝置Fig.1 Vapor smoothing setup for PLA samples

1.4 試樣成形質量的表征

為了分析工藝參數對圓筒試樣尺寸精度的影響規(guī)律，用數顯式游標卡尺對圓筒試樣內外徑及高度進行測量。用TR200表面粗糙度測量儀對蒸汽平滑處理前后試樣的表面粗糙度進行測量(如圖2所示)。表面粗糙度的評定參數采用輪廓算術平均偏差Ra，即取樣長度內輪廓上點至基準線偏距絕對值的算術平均值[9]，其計算公式為:

(1)

式中y(x)——被測輪廓上各點距基準線的縱坐標值

L——取樣長度

圖2 觸針式表面粗糙度測量儀Fig.2 Roughness measuring instrument of stylus

如圖3所示，沿著試樣高度方向進行測量，每個試樣測量3次，取平均值作為最終測量值。為了便于更加直觀地比較蒸汽平滑處理前后試樣表面形貌及粗糙度的變化，采用徠卡共聚焦顯微鏡(見圖4)對試樣表面進行觀察和測量。

圖3 取樣長度內試樣表面輪廓曲線Fig.3 Profile curve of sample surface along sampling length

圖4 徠卡共聚焦測量顯微鏡Fig.4 Leica confocal measuring microscope

2 結果與討論

2.1 FDM工藝參數對尺寸精度的影響

采用游標卡尺測量筒形件在內、外徑以及高度方向的尺寸誤差(分別用Ed、ED和EH表示)。為了降低測量誤差，每個圓筒測量3個不同的位置，取平均值作為最終尺寸，并計算它們的相對誤差。計算公式如式(2)所示。最終的實驗結果如表3所示。根據表3的實驗結果，采用正交試驗極差分析法對實驗結果進行直觀分析，計算不同工藝參數下相對誤差的平均值與極差，分析工藝參數對成型零件尺寸精度的影響規(guī)律，確定影響因素的主次順序以及主次方案。實驗結果分析如表4所示。其中，k1、k2、k3和k4表示各因素在水平1、2、3和4時對應的指標平均值，R為極差。

(2)

式中E——誤差

L——實際測量尺寸

L0——設計尺寸

表3 試樣尺寸誤差測量結果

Tab.3 Sample dimension error

表4 正交試驗極差分析表

Tab.4 Range analysis table of orthogonal test

由極差分析表4可以看出，不同因素對3個不同指標的影響是不同的。要想得到較優(yōu)的工藝參數組合，僅僅把4個因素對3個指標影響的重要性的主次順序統(tǒng)一起來是不可行的，因為不同指標下的最優(yōu)方案是不同的。在此，可采用綜合平衡法[10]獲得較優(yōu)的工藝參數組合。

以各因素水平為橫坐標，以外徑、內徑、高度尺寸相對誤差的平均值ki為縱坐標，繪制出試樣尺寸相對誤差隨各因素的變化曲線，如圖5所示。

因素A(分層厚度)：由極差分析表可知，分層厚度對于三者的尺寸相對誤差影響程度均排在第一位，從圖5(a)可以看出對于內徑和高度，當分層厚度為0.1 mm時內徑和高度尺寸誤差均最小，雖然分層厚度為0.2 mm時外徑尺寸誤差最小，但相對于0.1 mm時，內徑和高度誤差增幅較大，所以分層厚度選取0.1 mm。

因素B(噴頭溫度)：由極差分析表可知，噴頭溫度對高度尺寸誤差影響最小，對內徑和外徑的影響均排在第二位，因此主要考慮噴頭溫度對于內外徑的相對影響程度，進而綜合平衡出最優(yōu)噴頭溫度。從圖5(b)可以看出，噴頭溫度發(fā)生變化時，內徑的尺寸誤差相比外徑變化幅度更大，所以綜合考慮，噴頭溫度選取為內徑尺寸誤差較小時的溫度，即200 ℃作為最優(yōu)水平。

因素C(打印速度)：從極差分析表可知，打印速度對于三者的相對誤差影響均排在第三位，從圖5(c)可以看出，內徑尺寸誤差受打印速度變化影響波動比外徑更大，而高度尺寸誤差變化幅度較小，故選擇內徑尺寸誤差較小時的打印速度，即60 mm/s作為最優(yōu)水平，且在該水平下，也可以兼顧打印效率。

因素D(填充率)：從圖5(d)可以看出，綜合考慮三者的尺寸誤差，當填充率在25 %～30 %之間時，對三者的尺寸誤差影響較小。從極差分析表可知，填充率對于高度尺寸誤差影響較為重要，因此應著重考慮，故選擇高度尺寸誤差較小時的填充率，即30 %作為最優(yōu)水平。

綜合以上分析，最優(yōu)方案為A1B1C3D3，即最優(yōu)參數組合為分層厚度0.1 mm、噴嘴溫度200 ℃、打印速度60 mm/s、填充率30 %。最終在最優(yōu)工藝參數組合下打印出來的筒形試樣，其外徑、內徑和高度的尺寸相對誤差分別為0.29 %、1.3 %和0.1 %。

■—外徑 ●—內徑 ▲—高度(a)分層厚度與尺寸相對誤差的關系 (b)噴頭溫度與尺寸相對誤差的關系(c)打印速度與尺寸相對誤差的關系 (d)填充率與尺寸相對誤差的關系圖5 各因素對尺寸相對誤差的影響Fig.5 Influence of various factors on the dimension relative error

2.2 蒸汽平滑時間、溫度對表面粗糙度的影響

溫度/℃：■—40 ●—45 ▲—50圖6 蒸汽平滑處理溫度和處理時間對試樣表面粗糙度的影響Fig.6 Influence of smoothing temperature and smoothing time on the surface roughness

在最優(yōu)工藝參數組合下打印出來的圓筒試樣，使用TR200表面粗糙度測量儀測量其表面粗糙度平均值Ra約為9.227 μm，與傳統(tǒng)切削加工相比，粗糙度較高。為了降低成型試樣表面粗糙度，對其進行表面蒸汽平滑處理，測得不同處理溫度和處理時間條件下的試樣表面粗糙度如圖6所示。可以看出，試樣表面粗糙度隨處理溫度的升高而降低，在相同的處理時間條件下，當處理溫度從40 ℃升高到45 ℃時，試樣表面粗糙度下降值為0.554～1.284 μm而當處理溫度從45 ℃升高到50 ℃時，粗糙度下降值為0.615～0.916 μm。即，溫度較低時升高溫度可以顯著提高蒸汽平滑的處理效果，但是當溫度超過一定范圍，試樣表面粗糙度隨溫度升高而降低的幅度逐漸減小。這是因為溫度超過一定范圍，CH2Cl2與PLA的溶體流動速率趨于穩(wěn)定。從圖6還可以看出，當處理時間從5 min延長到6 min時，試樣表明粗糙度下降較為明顯，之后粗糙度變化曲線逐漸趨于平緩。這是因為隨著時間的增加，試樣表面峰頂部分的溶化、流動和融合更充分。但在7 min之后，溶體融合逐漸趨于飽和，表面粗糙度不再有明顯改變。

綜上所述，隨著蒸汽平滑處理溫度和處理時間的增加，PLA筒形試樣的表面粗糙度逐漸降低，但當兩者超過一定范圍時，表面粗糙度降低的趨勢逐漸放緩，考慮到試樣材料物化性質以及時間效率等因素，所以將50 ℃確定為最佳處理溫度，將7 min確定為最佳處理時間，在該處理參數下試樣的表面粗糙度為3.435 μm，較處理前降低了62.8 %。對比拋光處理前后試樣尺寸，發(fā)現(xiàn)處理后試樣外徑略有縮小，但不超過0.05 mm，可忽略不計。采用徠卡共聚焦測量顯微鏡對蒸汽平滑處理前后的試樣表面形貌進行觀察(如圖7所示)，通過對比發(fā)現(xiàn)：由于臺階效應，蒸汽平滑處理前試樣表面呈“犁溝”狀，經蒸汽平滑處理后試樣表面變得相對平整，其三維表面粗糙度從20.686 μm降低為6.493 μm，表面質量得到顯著改善。

(a)蒸汽平滑處理前 (b)蒸汽平滑處理后(50 ℃×7 min)圖7 蒸汽平滑處理前后試樣表面形貌的對比(×10)Fig.7 Comparison of surface morphology before and after vapor smoothing (×10)

3 結論

(1)通過正交試驗研究了FDM工藝參數對PLA筒形件尺寸精度的影響，通過極差分析發(fā)現(xiàn)：分層厚度對筒形件的內外徑尺寸精度影響最大，其次為噴頭溫度和打印速度，填充率的影響最??；打印參數對高度方向尺寸精度的影響順序為分層厚度、填充率、打印速度和噴頭溫度；

(2)利用綜合平衡法獲得最優(yōu)打印參數組合為：分層厚度0.1 mm、噴頭溫度200 ℃、打印速度60 mm/s、填充率30 %，在該參數下打印出的筒形件的外徑、內徑和高度的尺寸誤差分別為0.29 %、1.3 %和0.1 %；

(3)基于相似相溶原理，采用CH2Cl2溶劑對FDM筒形件進行了表面拋光處理;試樣表面粗糙度隨蒸汽平滑處理溫度和處理時間的增大而降低，蒸汽平滑處理溫度為50 ℃，處理時間為7 min時，PLA筒形件的表面粗糙度降低了62.8 %，表面形貌改善顯著。