FDM 快速成型無支撐模型的參數(shù)研究

童和平，張香紅，張 洲，丘永亮

(1.廣東開放大學(xué)，廣州 510091；2.廣東工業(yè)大學(xué)，廣州 510090)

0 引言

FDM 熔融擠壓快速成型技術(shù)是3D 打印技術(shù)使用最為普遍的技術(shù)，得到了許多科研機(jī)構(gòu)和高校學(xué)者的青睞，想是近來發(fā)展最為熱門的先進(jìn)制造技術(shù)之一。FDM 熔融擠壓快速成型技術(shù)具有設(shè)備成本低、制造效率高、 工作環(huán)境要求低及可加工傳統(tǒng)工藝無法加工的零件等優(yōu)勢(shì)，使得FDM 3D 打印技術(shù)在機(jī)械制造、 工業(yè)設(shè)計(jì)及文化創(chuàng)意等多方面的應(yīng)用越來越廣。

許多科研機(jī)構(gòu)和高校學(xué)者基于FDM 3D 打印開展了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化、打印工藝參數(shù)、耗材型號(hào)選取等方面的研究，這些研究主要是針對(duì)3D 打印產(chǎn)品的用途研究。然而，卻很少對(duì)支撐技術(shù)進(jìn)行深入的研究。FDM 技術(shù)是將熱熔材料加熱融化再擠壓并堆積成一個(gè)成型截面，然后以同樣的方式生成其他的成型截面，通過層層堆積最終形成實(shí)體模型，因此，在零件制作的過程中，當(dāng)模型分層后的上層截面區(qū)域大于下層截面區(qū)域，支撐結(jié)構(gòu)的生成是不可避免的。然而，支撐會(huì)對(duì)零件的成型質(zhì)量造成較大的影響，也會(huì)增加耗材的廢料，增加后期處理的難度，嚴(yán)重降低支撐部分表面質(zhì)量［1-3］，因此，在 3D 打印產(chǎn)品模型中，研究FDM 快速成型無支撐模型技術(shù)具有重要的意義。

1 FDM 工藝模型支撐的添加技術(shù)

根據(jù)FDM 3D 模型打印的工作原理，3D 打印模型支撐有兩種生成技術(shù)，接下來，將介紹下面兩種模型支撐的添加技術(shù)。

1.1 模型支撐的手動(dòng)生成技術(shù)

基于模型無實(shí)體部分需要添加支撐的原理，在設(shè)計(jì)模型三維立體圖時(shí)，可以根據(jù)模型的結(jié)構(gòu)造型和打印成型方向，人為判斷哪些地方需要添加支撐，并確定支撐的類型。然后，在模型三維CAD 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成STL 文件前，在需要支撐的位置手動(dòng)添加支撐，最后，我們將帶有支撐模型的STL 文件導(dǎo)入到FDM 3D 打印機(jī)，經(jīng)3D 打印機(jī)的分層處理生成實(shí)體截面輪廓和支撐截面輪廓。3D 打印機(jī)將模型原型和支撐體一層一層的加工出來，然后再將支撐體從模型中剝離出，最終得到模型。其工藝流程如圖1 所示。

圖1 支撐的手動(dòng)生成工藝流程

1.2 模型支撐的自動(dòng)生成技術(shù)

基于FDM 3D 打印模型支撐的自動(dòng)生成技術(shù)，支撐是打印機(jī)系統(tǒng)自動(dòng)提取而形成的支撐面，將模型的STL 文件導(dǎo)入至3D 打印機(jī)中，打印機(jī)系統(tǒng)根據(jù)模型三維CAD 數(shù)據(jù)，自動(dòng)生成支撐體，其工藝流程如圖2 所示。系統(tǒng)自動(dòng)生成支撐的優(yōu)點(diǎn)在于，它會(huì)根據(jù)模型的整體結(jié)構(gòu)信息來確定支撐和支撐類型，生成的支撐質(zhì)量好，精度高。但對(duì)于結(jié)構(gòu)較為復(fù)制的模型，也會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的算法較為復(fù)雜，生成支撐區(qū)域的STL 文件需要用到維集合運(yùn)算，系統(tǒng)后期處理時(shí)間較長(zhǎng)［4-5］。

圖2 支撐的自動(dòng)生成工藝流程

2 FDM 工藝中無支撐的模型特征

在采用FDM 工藝進(jìn)行模型打印時(shí)，發(fā)現(xiàn)具有懸空或懸浮部分的模型，打印過程中不添加支撐也能較好地成形，但需控制好模型打印中的幾何特征參數(shù)和成形環(huán)境溫度等因素。而這類無需支撐的模型特征，可以將其大致歸納為四類，分別是：傾斜型特征、弧頂型特征、平頂型特征和懸臂型特征等四種模型，如圖3 所示。其中，圖(a)中的懸空參數(shù)θ：傾斜面與垂直面的夾角；圖(b)中的懸空參數(shù)R：弧頂半徑；圖(c)中的懸空參數(shù)a：平頂長(zhǎng)度；圖(d)中的懸空參數(shù)b：懸空長(zhǎng)度。實(shí)際模型的特征可以由這四類懸空特征中的任意一種或多種組成［6-7］。

圖3 常見零件的懸空特征

3 FDM 工藝中無支撐的影響因素

本試驗(yàn)根據(jù)常見零件的懸空特征，并通過改變這些特征的懸空參數(shù)和成型環(huán)境溫度，得到了無需添加支撐即可加工成形的極限懸空參數(shù)［8-9］。

3.1 FDM 打印設(shè)備及成型溫度

本研究使用的是北京太爾時(shí)代有限公司研制的Inspire S250 熔融沉積式大型 3D 打印機(jī)，Inspire S250 熔融沉積式大型3D 打印機(jī)使用的成型材料和支撐材料為ABS 塑料絲，噴絲直徑0.3 mm，模型分層厚度0.2 mm，噴嘴處絲料熔融溫度250 ℃，室內(nèi)成型溫度分別取40 ℃、50 ℃、60 ℃進(jìn)行試驗(yàn)加工。

3.2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷奶卣鲄?shù)

根據(jù)平時(shí)打印模型的使用情況，并參照其它高校研究，在四類無需支撐模型的懸空特征中優(yōu)化選取了多組懸空參數(shù)，具體參數(shù)見表1。

表1 模型表面粗糙度δ 與模型表面角度α 的關(guān)系

3.3 試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷脑O(shè)計(jì)與制作

根據(jù)四種懸空特征，本試驗(yàn)設(shè)計(jì)出中四組模型特征，分別為：空?qǐng)A臺(tái)、拱形柱、倒U 型孔和T 形臺(tái)。每組模型特征設(shè)計(jì)了五個(gè)不同水平的參數(shù)值，將這四組模型特征裝配在一塊板上，形成本研究試驗(yàn)?zāi)Ｐ停缦聢D4 所示。由圖可知：平頂型和弧型的懸空特征左右兩邊各有一個(gè)支撐，相當(dāng)于懸空特征有兩點(diǎn)支撐，這種懸空特征有助于減小變形和翹曲；而懸臂型和傾斜型懸空特征只有中間一個(gè)支撐點(diǎn)。

圖4 試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷脑O(shè)計(jì)圖

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

本次試驗(yàn)結(jié)果主要依據(jù)耗材粘結(jié)強(qiáng)度的高低、懸空特征部分ABS 絲料的塌陷程度、 表面成型質(zhì)量等進(jìn)行分析。將不同懸空參數(shù)在不同的室內(nèi)成型溫度下多次加工，對(duì)成型后的傾斜型、弧型、平頂型、懸臂型四種懸空特征部分，發(fā)現(xiàn)室內(nèi)成型溫度較低時(shí)，ABS 絲料之間的粘結(jié)程度較差，導(dǎo)致模型懸空特征成型質(zhì)量較差；當(dāng)升高室內(nèi)成型的溫度，模型的粘結(jié)質(zhì)量也隨著提高，當(dāng)室內(nèi)成型溫度達(dá)到一定程度時(shí)，懸空特征就會(huì)出現(xiàn)塌陷、 翹曲等現(xiàn)象。經(jīng)過多次試驗(yàn)，當(dāng)室內(nèi)成型溫度為 60 ℃時(shí)，可達(dá)到無支撐成形的最大懸空參數(shù)值，參數(shù)值見表2。

表2 懸空特征無支撐成型的最大懸空參數(shù)值

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，F(xiàn)DM 快速成型無支撐即可成型的原理為：3D 打印機(jī)噴嘴擠出的絲料在室內(nèi)成型溫度下迅速硬化，使得模型具有一定的剛度和強(qiáng)度，模型主體部分一層一層疊加形成了主要承重的“力學(xué)筋骨”，而在成型懸空特征底層，絲料會(huì)隨著懸空連續(xù)軌跡與模型本體牢牢粘結(jié)在一起。經(jīng)過優(yōu)化懸空特征參數(shù)，從而可以實(shí)現(xiàn)FDM 快速成型無支撐即可成型。

室內(nèi)成型溫度對(duì)無支撐懸空部分的成型質(zhì)量有較大的影響，當(dāng)室內(nèi)成型溫度較低時(shí)，絲料的冷卻速度較高，導(dǎo)致還沒與前一層絲料粘結(jié)牢固之前就已硬化，進(jìn)而降低每層絲料之間的粘結(jié)性能，模型無法形成；當(dāng)室內(nèi)成型溫度較高時(shí)，絲料的冷卻速度較低，導(dǎo)致與前一層絲料很好粘結(jié)之后還沒有完全硬化，進(jìn)而使得模型本體的剛度和強(qiáng)度不足以支撐懸空特征部分，模型會(huì)產(chǎn)生塌陷現(xiàn)象。

5 結(jié)語(yǔ)

在無支撐熔融擠壓快速成形的參數(shù)研究中，對(duì)試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)懸空特征和無支撐的影響因素，得出了懸空特征無支撐成型的最大懸空參數(shù)值，并分析了FDM 快速成型無支撐模型的原因。試驗(yàn)表明無支撐的懸空模型不僅可以減少支撐件廢料，提高加工速度，還可以降低模型后處理難度，進(jìn)而提高模型整體表面加工質(zhì)量。本研究可為FDM 熔融擠壓工藝在設(shè)計(jì)具有懸空特征的產(chǎn)品提供一定的參考。