基于FDM的柔性材料3D 打印工藝研究*

王 曉，王彥麗，王寧寧，吳華英，2

（1.國家增材制造創(chuàng)新中心，陜西 西安 710117；2.西安交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710049）

0 引言

3D打印技術(shù)具有可一次性成型復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件、成型周期短、節(jié)省材料等諸多優(yōu)點(diǎn)，使其應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓寬，對打印材料的多元化也提出了更高要求［1－2］。熔融沉積成型（FDM）是通過噴頭加熱使熱塑性材料融化并從噴嘴擠出，根據(jù)切片模型在工作臺上逐層堆積，最終形成完整的部件［3－4］。由于FDM設(shè)備具有易于使用、設(shè)備維護(hù)成本低、原材料利用率高等優(yōu)點(diǎn)，而得到廣泛應(yīng)用［5－6］。近年來，3D打印柔性鞋墊、墊圈、封閉氣囊以及個性化定制的柔性繃帶等都提出了柔性材料打印需求，涉及機(jī)械、汽車、醫(yī)療等多個領(lǐng)域［7］。

目前FDM設(shè)備打印材料以ABS和PLA為主，通過送絲齒輪與絲材之間的摩擦力來實(shí)現(xiàn)絲材的順利送進(jìn)，而當(dāng)材料更換為柔性材料時，因其彈性較大，在送絲過程中極易被擠壓變形，在送絲齒輪處易纏絲；在回抽過程中在送絲齒輪和喉管之間也易發(fā)生彎折，使得送絲量發(fā)生偏差或絲材無法送進(jìn)，導(dǎo)致打印失敗。針對柔性材料打印問題，知名FDM廠商Stratasys研制了專門針對柔性材料的打印頭；蘇州大學(xué)［8］開發(fā)了一種3D打印柔性材料送絲機(jī)構(gòu)，通過將送絲齒輪和從動壓輪均設(shè)計(jì)為凹槽狀，在彈簧的擠壓作用下使送絲齒輪外端面與從動壓輪的外端面緊密結(jié)合，從而保證絲材不會被壓扁；西安交通大學(xué)青島研究院［9］研究了一種FDM式柔性材料3D打印噴頭，試圖通過將喉管入口端延伸至送絲齒輪和從動壓輪的底端，以保證絲材能順利進(jìn)入喉管而不出現(xiàn)彎曲的問題。以上均表明當(dāng)前更換軟硬材料需對應(yīng)更換打印頭，不僅增加了生產(chǎn)周期及成本，而且不便于操作。

在采用FDM設(shè)備打印柔性材料時發(fā)現(xiàn)，調(diào)整打印溫度、打印速度、回抽速度、層厚等工藝參數(shù)，甚至更換不同的送絲機(jī)構(gòu)，柔性材料打印質(zhì)量仍不穩(wěn)定。通過研究分析不同硬度材料的FDM打印工藝，發(fā)現(xiàn)合適的送絲力是實(shí)現(xiàn)工藝穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素，而改變送絲機(jī)構(gòu)中的彈簧特性參數(shù)，是簡便有效的送絲力調(diào)節(jié)方法。因此，本文提出了一種僅通過改變彈簧尺寸即可保證不同材料穩(wěn)定打印的方法。通過在FDM送絲機(jī)構(gòu)中安裝不同彈性系數(shù)的彈簧，觀察打印過程中送絲穩(wěn)定性情況和成型制件的表面質(zhì)量，得到適合材料打印的最佳彈簧彈性系數(shù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

本文采用深圳光華偉業(yè)股份有限公司的三種柔性材料 TPU-95A、TPU-87A 和 TPE-83A，絲材直徑為1.75mm，打印速度為20mm／s～60mm／s；TPU-95A打印溫度為215℃～235℃，其余兩種材料打印溫度均為210℃～230℃。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與配件

FDM打印機(jī)采用深圳市極光三維科技有限公司的Ender-1。試驗(yàn)中所用彈簧與FDM設(shè)備標(biāo)配彈簧高度一致，但線徑和外徑不同，從而得到不同彈性系數(shù)的彈簧。彈簧的彈性系數(shù)與彈簧材質(zhì)、線徑、外徑及圈數(shù)有關(guān)，而壓縮彈簧工作時產(chǎn)生的彈力與其壓縮行程成正比。在本研究中，選擇與FDM設(shè)備標(biāo)配彈簧高度一致的彈簧，默認(rèn)彈簧的工作行程一定，則彈簧的彈性系數(shù)將直接反映絲材送進(jìn)過程中所受壓力的大小。實(shí)驗(yàn)中所用彈簧的尺寸和彈性系數(shù)見表1。

表1 彈簧尺寸及對應(yīng)彈性系數(shù)

壓縮彈簧工作時產(chǎn)生的彈力為：

F＝k·x .

其中：F為彈力，N；x為工作行程，mm；k為彈性系數(shù)，N／mm，k＝G·d4／（8nD3），G為剪切彈性模量，MPa，對于不銹鋼G＝7 200MPa，d為線徑，mm，n為有效圈數(shù)，n＝總?cè)?shù)－2，D為中心直徑，D＝外徑－線徑，mm。

1.3 樣件打印

（1）建模。小圓環(huán)柱為Φ70mm×Φ50mm×7 mm；大圓環(huán)柱為Φ150mm×Φ120mm×10mm；高圓環(huán)柱為Φ70mm×Φ50mm×150mm。

（2）切片。采用 Ultimaker Cura 3.4.1軟件進(jìn)行切片。

（3）打印條件。打印溫度為230℃；底板溫度為60℃；層厚為0.2mm；填充比例為25%；打印速度為40mm／s；填充速度為40mm／s；頂?shù)姿俣葹?0mm／s；回抽距離為6.5mm；回抽速度為25mm／s。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 彈簧的彈性系數(shù)對TPE-83A材料打印制件成型質(zhì)量的影響

分別將不同彈性系數(shù)的彈簧安裝于FDM送絲機(jī)構(gòu)中，打印小圓環(huán)柱模型，通過觀察打印過程中送絲穩(wěn)定性情況和成型制件的表面質(zhì)量，得到打印TPE-83A材料的最佳彈簧彈性系數(shù)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，彈簧彈性系數(shù)在0.37N／mm～0.48N／mm之間時，TPE-83A材料打印過程中送絲穩(wěn)定，且成型制件的表面質(zhì)量良好。隨著彈簧彈性系數(shù)的變化，TPE-83A材料打印過程中的送絲情況和成型制件的表面質(zhì)量均不同，可分為4種類型：①當(dāng)彈簧的彈性系數(shù)過小（≤0.05N／mm）時，彈簧在送絲機(jī)構(gòu)中無法回彈，絲材與送絲齒輪及從動壓輪均未接觸，送絲機(jī)構(gòu)的功能未能實(shí)現(xiàn)，絲材無法被送進(jìn)；②當(dāng)彈簧的彈性系數(shù)較?。?.11N／mm～0.20N／mm）時，打印制件出現(xiàn)部分缺損現(xiàn)象，與絲材送進(jìn)速度和打印速度不匹配有關(guān)，因?yàn)榇藭r彈簧具有一定的回彈能力，但其回彈力較小，使得送絲齒輪與從動壓輪之間的間隙稍大，而絲材受到的摩擦力較小，進(jìn)而使絲材送進(jìn)速度減小，無法匹配打印速度，在研究過程中試圖通過降低打印速度以匹配送絲速度，效果不理想；③當(dāng)彈簧的彈性系數(shù)合適（0.37N／mm～0.48N／mm）時，送絲順暢，且制件表面質(zhì)量良好，此時彈簧所提供的回彈力使送絲齒輪和從動壓輪之間的間隙較為合適，絲材受到合適大小的摩擦力而被順利送進(jìn)；④當(dāng)彈簧的彈性系數(shù)過大（＞0.70N／mm）時，打印過程中極易發(fā)生斷絲，而且將打印速度進(jìn)一步減小至20mm／s時，也僅僅將打印成功率提高至50%左右，這是因?yàn)閺椈伤峁┑幕貜椓^大，使絲材被擠壓變形，容易在送絲齒輪處發(fā)生纏絲及繞絲現(xiàn)象，或引起回抽困難而使絲材在齒輪與喉管之間發(fā)生擠壓和彎曲，導(dǎo)致打印失敗。4種不同類型的彈簧彈性系數(shù)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分別見圖1、圖2、圖3和圖4。

圖1 彈簧彈性系數(shù)過小

圖2 彈簧彈性系數(shù)較小

圖4 彈簧彈性系數(shù)過大

圖3 彈簧彈性系數(shù)合適

2.2 彈簧的彈性系數(shù)對TPU-87A材料打印制件成型質(zhì)量的影響

采用TPU-87A材料打印小圓環(huán)柱模型，實(shí)驗(yàn)過程同2.1。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，彈簧彈性系數(shù)在0.37N／mm～0.70N／mm之間時，TPU-87A材料打印過程中送絲穩(wěn)定，且成型制件的表面質(zhì)量良好。隨著彈簧彈性系數(shù)的變化，根據(jù)TPU-87A材料打印過程中的送絲情況和成型制件的表面質(zhì)量，依然可分為4種情況，但每種情況所對應(yīng)的彈簧彈性系數(shù)值稍有不同，這與TPU-87A材料比TPE-83A材料硬度大有關(guān)。這4種情況具體如下：①當(dāng)彈簧的彈性系數(shù)過?。ā?.05N／mm）時，絲材無法送進(jìn)，送絲機(jī)構(gòu)的功能未能實(shí)現(xiàn)；②當(dāng)彈簧的彈性系數(shù)較?。?.11N／mm～0.20N／mm）時，絲材送進(jìn)速度和打印速度不匹配，打印制件有缺陷；③當(dāng)彈簧的彈性系數(shù)合適（0.37N／mm～0.70N／mm）時，送絲順暢，且制件表面質(zhì)量良好；④當(dāng)彈簧的彈性系數(shù)過大（＞0.99 N／mm）時，打印過程中極易發(fā)生斷絲現(xiàn)象，制件無法成型，打印失敗。由此可見，適合打印TPU-87A材料的彈簧彈性系數(shù)上限較TPE-83A的大，這是因?yàn)門PU-87A材料的硬度比TPE-83A材料的大，使用相同的彈簧時，TPU-87A材料的變形相對較小，即達(dá)到相同的變形量TPU-87A材料所需彈簧的彈性系數(shù)大。

2.3 彈簧的彈性系數(shù)對TPU-95A材料打印制件成型質(zhì)量的影響

采用TPU-95A材料打印小圓環(huán)柱模型，實(shí)驗(yàn)過程同2.1。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，彈簧彈性系數(shù)在0.48N／mm～1.32N／mm之間時，TPU-95A材料打印過程中送絲穩(wěn)定，且成型制件的表面質(zhì)量良好。隨著彈簧彈性系數(shù)的變化，TPU-95A材料打印過程中的送絲情況和成型制件的表面質(zhì)量情況不同于TPU-87A及TPE-83A材料，可分為3種類型：①當(dāng)彈簧的彈性系數(shù)過?。ā?.05N／mm）時，情況與 TPU-87A及 TPE-83A 材料相同；②當(dāng)彈簧的彈性系數(shù)較小（0.11N／mm～0.37 N／mm）時，絲材送進(jìn)速度和打印速度不匹配，打印制件有缺陷；③當(dāng)彈簧的彈性系數(shù)合適（0.48N／mm～1.32N／mm）時，送絲順暢，且制件表面質(zhì)量良好。進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，適合打印TPU-95A材料的彈簧彈性系數(shù)上限比TPU-87A材料的大，證實(shí)了材料硬度增大后，適合其打印的彈簧彈性系數(shù)的上限也在相應(yīng)增大。

2.4 制件尺寸對打印穩(wěn)定性的影響

為進(jìn)一步驗(yàn)證得到的最佳彈簧系數(shù)的可靠性，以TPE-83A材料為例，選擇彈性系數(shù)為0.477 1N／mm的彈簧，打印10個大圓環(huán)柱和10個高圓環(huán)柱，觀察在長時間的打印過程中送絲的穩(wěn)定性和成型制件的表面質(zhì)量。

結(jié)果表明，10個大圓環(huán)柱和10個高圓環(huán)柱在打印過程中送絲順暢且穩(wěn)定，未出現(xiàn)斷絲現(xiàn)象，最終成型制件表面質(zhì)量佳（打印出的大圓環(huán)和高圓環(huán)分別見圖5和圖6）。20個大尺寸制件100%的打印成功率，充分說明打印穩(wěn)定性良好，也驗(yàn)證了上述最佳彈簧彈性系數(shù)的可靠性。

圖5 成型的大圓環(huán)柱

3 結(jié)論

本研究在不更換打印頭、不改變打印頭結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，僅通過改變彈簧的彈性系數(shù)，實(shí)現(xiàn)了同一打印頭可同時打印不同硬度材料的功能，具體結(jié)論如下：

（1）FDM送絲機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)及彈簧高度一定時，彈簧的彈簧系數(shù)決定了送絲力，而送絲力則對絲材能否順利送進(jìn)起決定性作用，不同硬度的絲材均有其適合打印的彈簧彈性系數(shù)范圍。

（2）彈性系數(shù)過小時，彈簧在送絲機(jī)構(gòu)中無法回彈，送絲機(jī)構(gòu)不能發(fā)揮其送絲功能；彈性系數(shù)較小時，送絲力偏小，送絲速度難以匹配打印速度，造成打印缺陷；彈簧彈性系數(shù)合適時，提供了合適的送絲力，送絲順暢且成型制件質(zhì)量良好；彈性系數(shù)過大時，送絲力過大導(dǎo)致絲材變形嚴(yán)重，送絲齒輪處易發(fā)生纏絲現(xiàn)象或回抽困難。

（3）絲材順利送進(jìn)所需的送絲力隨絲材硬度的增大而增大，適合 TPE-83A、TPU-87A 及 TPU-95A 三種柔性材料打印的合適的彈簧彈性系數(shù)分別為0.37 N／mm～0.48N／mm、0.37N／mm～0.70N／mm、0.48N／mm～1.32N／mm。進(jìn)行大尺寸樣件打印時，打印穩(wěn)定性良好，且制件性能良好。

圖6 成型的高圓環(huán)柱