三維打印工藝在多容器杯制造中的應(yīng)用

羅立晟，沈嘉陵

（1.武漢工程大學(xué)光電信息與能源工程學(xué)院，武漢 430070；2.武漢華科三維科技有限公司，武漢 430070）

0 引言

本文主要研究一種多容器杯杯身的成形工藝。多容器杯如圖1所示，由杯身、杯蓋、大小蓋子等組成[1]。其杯身為塑料材質(zhì)，壁厚為2 mm，由于包含4 個(gè)腔室，腔室之間存在隔熱層，內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成形難度較大。若采用注塑成形制造，存在脫模困難的問題；采用吹塑成形制造，則吹塑毛坯制造比較困難；而采用其他塑料成形工藝，又有制品成形精度低、生產(chǎn)效率低等不足。由于三維打印采用離散—堆積原理制造，成形時(shí)不受產(chǎn)品結(jié)構(gòu)形狀的限制，并且具有成形精度較高、制造周期短的優(yōu)點(diǎn)，且多容器杯的生產(chǎn)批量不大，所以考慮用三維打印的方法制造此杯身。

三維打印是一種增材制造技術(shù)，是依據(jù)三維數(shù)字化模型，通過自動(dòng)化技術(shù)將材料逐層累加制作三維物體的過程[2]。美國《麻省理工科技評(píng)論》將金屬三維打印評(píng)為“2018年度世界十大突破技術(shù)”第一名。經(jīng)過20多年的發(fā)展，目前，增材制造技術(shù)主要有立體平板印刷（SLA）、選擇性激光燒結(jié)（SLS）、熔絲沉積成型（FDM）、分層物體制造（LOM）及三維打印（TDP）等，成形的材料有金屬材料、非金屬材料、復(fù)合材料、生物材料等[3-4]。多容器杯杯身擬采用選擇性激光燒結(jié)（SLS）技術(shù)進(jìn)行成形，激光燒結(jié)原理[5-7]如下：首先在加工平面上利用鋪粉輥均勻、密實(shí)地鋪上一層粉末，形成一個(gè)微米級(jí)厚度的粉床；然后激光在預(yù)設(shè)好的軌跡上進(jìn)行掃描，掃描軌跡和所加工零件的截面形狀相同，激光的熱量會(huì)使粉床上的粉末材料熔化并和之前的材料發(fā)生黏接，當(dāng)一層掃描完成后，重新鋪粉、燒結(jié)，這樣就可以逐層進(jìn)行成形；最后去除用于支撐的多余粉末便可以得到所需零件。

圖1 多容器杯

由于選擇性激光燒結(jié)（SLS）成形工藝“逐層燒結(jié)”的成形特點(diǎn)，易出現(xiàn)翹曲、收縮、制件力學(xué)性能差等成形缺陷，而成形工藝參數(shù)對(duì)制件的表面質(zhì)量、形狀精度、強(qiáng)度等方面有重要影響，選擇合理的工藝參數(shù)對(duì)選擇性激光燒結(jié)成形至關(guān)重要[8]。因此，需要對(duì)多容器杯杯身的成形過程進(jìn)行研究，探討成形時(shí)出現(xiàn)的質(zhì)量問題及成形工藝參數(shù)對(duì)杯身質(zhì)量的影響規(guī)律，找到合理的工藝參數(shù)，從而得到合格的制件。

1 多容器杯杯身選擇性激光燒結(jié)實(shí)驗(yàn)過程

采用HKP320 成形機(jī)進(jìn)行多容器杯杯身的SLS 成形，使用CO2激光器，最大功率為55 W，一次成型最大尺寸為320 mm 320 mm 650 mm，最大掃描速度為6 m/s，分層厚度為0.08～0.3 mm；成形材料為尼龍12 粉，半結(jié)晶型材料，其成形產(chǎn)品具有較高的強(qiáng)度和密度。

多容器杯三維打印成形過程為采用UG三維建模軟件在計(jì)算機(jī)上設(shè)計(jì)出多容器杯的三維模型，將三維模型進(jìn)行近似處理轉(zhuǎn)換成STL 格式文件，通過切片軟件對(duì)其進(jìn)行分層切片，求得每層截面輪廓，按照這些輪廓，快速成形機(jī)的激光束選擇性地?zé)Y(jié)一層層的粉末材料，形成各截面并逐步疊加成三維產(chǎn)品。采用SLS工藝制造多容器杯的工藝過程如圖2所示。

圖2 SLS打印的多容器杯零件

2 成形工藝參數(shù)對(duì)制品成形精度的影響分析

成型設(shè)備、成形材料和成形工藝是影響成型件質(zhì)量的關(guān)鍵因素。通過多次燒結(jié)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)影響多容器杯成形精度的主要因素有分層厚度、激光功率、掃描速度以及溫度等。成形不良品形式有臺(tái)階效應(yīng)而導(dǎo)致的制品表面粗糙；翹曲變形、杯口橢圓形變形導(dǎo)致的蓋子扣不上杯身以及杯蓋不能旋入杯身、杯身強(qiáng)度不足而引起的破裂等。

（1）分層厚度影響

分層厚度影響制品的表面粗糙度及精度。分層厚度過大會(huì)導(dǎo)致制件實(shí)際輪廓和理論輪廓之間發(fā)生偏離，出現(xiàn)明顯的臺(tái)階效應(yīng)，使制品表面粗糙度大，力學(xué)性能下降；分層厚度過薄，則會(huì)延長(zhǎng)成形時(shí)間，使制品成本升高，同時(shí)鋪粉時(shí)粉末顆粒間容易出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象，降低粉床質(zhì)量，另外制品有過燒的風(fēng)險(xiǎn)。因此，綜合考慮本杯身成形的分層厚度取為0.10 mm。

（2）激光功率影響

激光功率對(duì)制品成形質(zhì)量有很大的影響。激光功率代表加工時(shí)燒結(jié)材料粉末的能量，對(duì)制品的變形和力學(xué)性能有很大影響。激光效率越小，粉末越不容易熔化，且制品強(qiáng)度低；激光功率大，粉末熔化良好，但功率過大，會(huì)使制品產(chǎn)生過燒形變。因此，本杯身成形的激光功率為25 W，約為激光器最大功率的46%。

（3）掃描速度影響

掃描速度影響制品的生產(chǎn)效率和成形精度。掃描速度越大，成形時(shí)間越短，效率提高，但是掃描速度過快也會(huì)使粉床溫度分布不均，使得制品的成形精度較低。在SLS 成型中，一般掃描速度和激光功率這兩個(gè)因素會(huì)相互影響，相互作用。本杯身成形選擇的掃描速度為4 m/s。

（4）溫度影響

溫度分為預(yù)熱溫度和制件溫度。預(yù)熱是選擇性激光燒結(jié)成形中一個(gè)至關(guān)重要的基礎(chǔ)準(zhǔn)備，可以降低制件成形時(shí)間，提高成形效率，但過高的預(yù)熱溫度會(huì)使制件的尺寸精度降低。因此需選擇合適的預(yù)熱溫度，一般設(shè)為155～167 ℃，在此溫度區(qū)間，粉床連續(xù)鋪粉6 mm，為制件成形打下基礎(chǔ)，制件溫度設(shè)為167 ℃。溫度如果達(dá)不到要求，尼龍12粉末在打印成型過程中，很容易翹曲變形，導(dǎo)致成形品質(zhì)下降乃至失敗。

采用上述工藝參數(shù)成形的杯身成形精度良好，能滿足裝配要求，如圖3所示。

圖3 采用SLS打印尼龍粉的多容器杯

3 結(jié)束語

本文利用選擇性激光燒結(jié)（SLS）成形工藝進(jìn)行多容器杯杯身的制造，解決了傳統(tǒng)塑料成型工藝無法生產(chǎn)的難題。對(duì)杯身的SLS 成形過程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)影響多容積杯成形質(zhì)量的主要因素有分層厚度、激光功率、掃描速度和溫度。成形后不良制品形式有臺(tái)階效應(yīng)而導(dǎo)致的制品表面粗糙；翹曲變形、杯口橢圓形變形、杯身強(qiáng)度不足而引起的破裂等。通過選擇合適的工藝參數(shù)，分層厚度為0.10 mm、激光功率為25 W、掃描速度為4 m/s、預(yù)熱溫度為155～167 ℃、制件溫度為167 ℃，成功制成合格的多容器杯杯身。

三維打印技術(shù)突破了傳統(tǒng)的等材和減材制造技術(shù)受產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜性制約的難題，是21世紀(jì)最具前途的先進(jìn)制造技術(shù)之一，也是目前智能制造體系的重要組成部分，將在各行各業(yè)得到廣泛應(yīng)用。本文采用SLS快速成型技術(shù)是三維打印技術(shù)的一種先進(jìn)工藝方法，是一種以激光為熱源層層疊加燒結(jié)粉狀材料的“凈成型”技術(shù)，具有不需要支撐材料、成形材料多樣化、制品綜合性能好等優(yōu)點(diǎn)，是成形這種多容器杯復(fù)雜結(jié)構(gòu)的較好方法。