熔融沉積成型零件精度及機械性能研究

劉曉彤 王琬

【摘要】筆者對國際國內(nèi)近年來融融沉積成型零件的精度與機器特性實施研究，從設施、原料、工藝、參數(shù)虛擬等層面實施解析，為該科技的深度發(fā)展提供一定的參考依據(jù)。

【關鍵詞】熔融沉積;成型部件;精度;機械特性;研究

有鑒于CAD/CAM科技的快速成型科技近年來業(yè)已發(fā)展為社會與科學界的熱議課題。該科技是使用CAD模型帶動，透過特殊原料逐層深入的模式來制造三維物理模型的前衛(wèi)制作科技。整個商品制作流程沒有使用模具，使用電腦三維實體建?；蚰＞呔湍軌蛑苯哟蛴?，所以能夠完成商品的迅速制作。

一、熔融沉積迅速成型層面的研究成績

FDM工藝的成型原料應具備既定的彎曲強度、壓縮強度與拉伸強度;原料的伸縮率要低;確保各層間有充足的粘連強度。

在我國，北京航空航天院校對短切玻璃纖維強化ABS復合原料實施了改性研究。其透過摻加短切玻纖、一定量的增韌劑與增溶劑，提升ABS的剛度、硬度與柔韌性，并減少ABS伸縮的幾率，讓成品的變形能夠被控制。北京太爾時代企業(yè)透過與國際上聞名的化工商品供貨商形成戰(zhàn)略伙伴關系，于2005年給出高特性的FDM成型原料ABS04，和美國Stratasys企業(yè)產(chǎn)出的ABS

P400特性類似，有著形變可控、柔韌性佳的特征，適于裝配檢測，能夠取代進口原料，減少生產(chǎn)成本。近年來，華中科技學院研究了改性聚苯乙烯原料。

國際方面，1998年澳洲的Swinburne工業(yè)學院研發(fā)了一類金屬-塑膠混合原料，能夠使用FDM科技的項目原料PC。使用該原料產(chǎn)出的原型能夠超越ABS注塑成型的剛度。然后，又研發(fā)出兼容FDM科技的工程原料PPSF，其有著高度的耐熱功能、強韌性與耐腐蝕特性。之后，又研發(fā)出工程原料PC/ABS。PC/ABS融合了PC的剛度與ABS的柔韌性，特性更佳。

二、熔融沉積成型部件精度工藝研究

在成型以后，噴嘴流出的熔融態(tài)PLA原料具備既定的寬度，如果噴嘴順著理想輪廓掃描時。從純理論的視角來分析，最后成型的部件相較于原始的CAD設計模型多出一塊，這對部件的尺寸進度會造成負面效應。在和Makerbot Replication 2配置的參數(shù)軟件Make

Ware中，最佳輪廓線的補償都和噴頭的內(nèi)徑有直接關系，常規(guī)的方法是把補償數(shù)據(jù)預設成噴頭內(nèi)徑的1/2.但是，熔融態(tài)原料的流出被多類元素左右。例如噴頭內(nèi)徑、擠壓速率、成型原料的粘性數(shù)據(jù)等。所以，僅權(quán)衡到噴頭內(nèi)徑的1/2的尺寸，還無法映射具體的補償量，還必須研究它類元素對補償量的作用。筆者構(gòu)建了成型部件最忌輪廓線寬補償模型。然而此模型僅能“照顧”到水平位置，無法把成型位置對尺寸精度的影響算在內(nèi)。

（一）成型位置上最佳輪廓線寬補償模型。

為了縮減噴頭把溫度傳導到部件已成型完成的端面，預防該部門局部熔融，噴頭外層通常創(chuàng)設成圓錐狀，讓底部的面積能夠越小越好，而把其內(nèi)孔預設為圓柱狀，方便對熔融態(tài)的PLA纖維材料被順利流出，噴頭剖面放大的見圖間圖1。

圖1?噴頭剖面圖筆者所運用的成型原料是聚乳酸，其隸屬高分子聚合物，是一類熱塑性原料，依照其特征能夠發(fā)現(xiàn)，其是粘彈力原料。如果處于熔融態(tài)的PLA原料從噴頭中溢出，原料自身的氣溫要高于當日外界氣溫，PLA原料在掙脫噴頭的束縛后，因為PLA溶體的彈性功能，流出原料會立刻脹大，在氣溫階梯的影響下優(yōu)惠快速凝結(jié)，導致PLA絲的內(nèi)徑要較噴頭內(nèi)徑為大。假定PLA絲從噴頭流出后沒有受到束縛，那么其心態(tài)是圓柱狀，然而在熔融沉積的階段，PLA絲被噴頭與部件已成型部門的束縛，流出的PLA絲并非圓柱狀，而是體現(xiàn)出很想圓柱狀的不規(guī)則情狀，其實際形狀受到擠壓速率、掃描填充速率、噴頭氣溫、環(huán)境氣溫、原料伸縮等很多元素的作用。使用掃描電子顯微設備觀察成型部件的端面形態(tài)發(fā)現(xiàn)，PLA絲的情狀類似于橢圓狀。

（二）熔融沉積成型部件機械特性研究

此處僅闡述彎曲實驗。

彎曲實驗通常用以測試原料在售彎曲荷載時彎曲強度與形變量的數(shù)據(jù)，是商品品質(zhì)管控、設計與選材的關鍵參考數(shù)據(jù)。彎曲強度是原料承擔垂直作用于其縱軸上彎曲載荷的功能數(shù)據(jù)，彎曲載荷所形成的應力是壓縮應力與伸縮應力的合力。

彎曲實驗亞歐兩類加載模式——三點屈伸與試點屈伸實驗，筆者對實驗樣本實施三點屈伸實驗。三點屈伸，p是施加負荷，l是實驗樣本尺寸、L是支座間的長度。把實驗樣本置于兩個支座上，在兩個支座核心中施與負荷，讓樣本形變到既定撓度是的極大屈伸應力叫做抗彎強度。

圖2?樣本實驗圖本實驗根據(jù)所預設的正交實驗方案完成，實驗樣本的三維模型也已經(jīng)獲得。使用微機管控電子萬能實驗設備對實驗樣本實施三點屈伸實驗。負荷施加速率是2mm/min，跨距L是30毫米。把實驗所得的屈服負荷代進算式內(nèi)能夠獲得抗彎強度σf，實驗結(jié)論也已經(jīng)獲得。當中，σf是抗彎強度;P是實驗樣本所承擔的最大彎曲負荷（斷裂負荷、屈服負荷、或定撓度負荷）;b是實驗樣本寬度;h是實驗樣本厚度。

三、結(jié)語

快速成型科技是新式的制造工藝，目前已經(jīng)被推廣使用于工業(yè)造型、機器制作、航空航天、建筑、醫(yī)學、文化藝術(shù)等行業(yè)。熔融沉積成型是快速成型工藝的一類景點的成型技術(shù)。因為其造型設施簡便、成本可控、成型原料被推廣使用與成型階段對生態(tài)友好等優(yōu)勢，有著極強的市場潛力。但是，因為受到成型理論、成型體系、成型工藝數(shù)據(jù)與成型原料本身特征等多層面的元素影響，熔融沉積成型部件的進度與機械特性相對很低。怎樣解決這些難題，是未來一段時間里同行業(yè)者的共同命題。

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