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    基于桌面級3D打印機(jī)面包板清洗工藝的研究*

    2021-01-18 03:56:06童和平張香紅
    機(jī)電工程技術(shù) 2020年12期
    關(guān)鍵詞:附著物平整度端面

    童和平,張香紅,張 洲

    (廣東開放大學(xué),廣州 510091)

    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,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,使得FDM 3D打印技術(shù)在機(jī)械制造、工業(yè)設(shè)計及文化創(chuàng)意等多方面的應(yīng)用越來越廣[1-3]。

    我國在20 世紀(jì)80年代末開始發(fā)展3D 打印,高校中以清華大學(xué)、華中科技大學(xué)、西安交通大學(xué)為代表,這些高校重點(diǎn)從3D打印機(jī)的結(jié)構(gòu)、固化成型方式、打印耗材研發(fā)以及打印工藝等4 方面研究3D 打印機(jī),并且已經(jīng)達(dá)到公認(rèn)的世界水平。由于桌面級3D打印機(jī)上起承載作用的面包板會附著很多ABS、PLA 塑料聚合物,并且很難除去,進(jìn)而影響3D打印精度和實(shí)體端面的平整度[4-6]。本文重點(diǎn)研究桌面級3D 打印機(jī)面包板清洗的工藝。便攜式3D 打印機(jī)如圖1所示。

    圖1 便攜式3D打印機(jī)

    1 桌面級3D打印機(jī)面包板存在問題

    1.1 面包板網(wǎng)孔附著耗材污漬

    FDM 熔融沉積成型打印機(jī)是運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料,通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體,當(dāng)打印實(shí)體結(jié)束之后,都需要將模型從面包板鏟下來。由于支撐底座和面包板接觸緊密,3D打印機(jī)上起承載作用的面包板會附著很多ABS、PLA塑料聚合物,如圖2所示。此需要用專用的鐵鏟工具將模型從面包板上面底部鏟出,并且很難除去,而且面包板表面經(jīng)常難以徹底清潔干凈,會造成下一個打印的工件底部不平,也會影響3D打印精度和實(shí)體端面的平整度。

    圖2 面包板上的附著物

    1.2 面包板附著物導(dǎo)致的產(chǎn)品打印質(zhì)量

    在熔融沉積成型過程中,耗材經(jīng)歷了由固態(tài)到熔融再到冷卻固化3個階段。在這一過程中由于材料體積收縮而產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力會造成原形的整體變形、翹曲甚至分層。因此,一般室內(nèi)使用桌面級3D打印機(jī)打印模型的時候,翹曲變形現(xiàn)象難免發(fā)生。而在其他快速成型工藝中,翹曲變形現(xiàn)象也普遍存在,進(jìn)而影響3D打印表面質(zhì)量和實(shí)體端面的平整度,如圖3所示[7-8]。

    2 面包板清洗原理流程

    2.1 工藝原理

    基于上述問題,試驗了一種基于桌面級3D打印機(jī)面包板清洗的工藝路線。首先將面包板置于高溫箱加熱到270 ℃,使溫度達(dá)到面包板附著物的熔點(diǎn);然后用鑷子將其取出,迅速用樹脂清洗劑清洗,這是利用相似相容原理,樹脂清洗劑主要成分是陽離子型和非離子型表面活性劑、兩性表面活性劑,專門用于有樹脂材料的清潔維護(hù);其次,將面包板放置于可加熱的超聲波清洗機(jī)中,以便去除空隙中的細(xì)微雜粒;最后,用無水乙醇清洗面包板表面,使其變得光亮。桌面級3D打印機(jī)面包板清洗原理流程如圖4所示。

    圖4 面包板清洗原理流程圖

    2.2 工藝流程

    桌面級3D打印機(jī)面包板清洗工藝流程具體步驟為:

    (1)用鑷子取一面包板,并將該樣件置于高溫箱內(nèi)加熱15 min,設(shè)置溫度270 ℃;

    (2)加熱結(jié)束后,用鑷子將其取出,并迅速將沾有樹脂清洗劑的清潔棉花用力擦試面包板,直到肉眼看不到面包板表面的附著物;

    (3)清洗劑擦拭后,再用去離子水(純凈水)沖洗面包板,來回沖洗3遍;

    (4)沖洗后,再將樣品放入可加熱的超聲波清洗機(jī)中,設(shè)置溫度80 ℃,超聲清洗15 min,此步驟目的是為了去除面包板空隙中的細(xì)微雜粒;

    (5)超聲波震蕩后,將樣品再次置于高溫箱二次加熱5 min,設(shè)置溫度為270 ℃;

    (6)加熱結(jié)束后,用鑷子將其取出,并將沾有無水乙醇的棉球擦拭樣件,此步驟既可去除剩余細(xì)微顆粒,又可潔凈樣品表面。

    3D打印機(jī)面包板工藝清洗儀器用品如圖5所示。

    圖5 3D打印機(jī)面包板工藝清洗儀器用品

    2.3 清洗前后對比

    本課題是基于機(jī)械與自動化工程系重點(diǎn)實(shí)訓(xùn)室設(shè)備在使用過程中遇到的問題而展開的研究,且市場上沒有專門用于清洗這些附著物的清潔劑,試驗的面包板清洗工藝路線是基于現(xiàn)有實(shí)訓(xùn)室的桌面級3D打印機(jī),試驗證明,該清洗工藝可以提升3D打印精度和實(shí)體端面的平整度,圖6所示為3D打印機(jī)面包板清洗前后對比圖,實(shí)際使用效果較好。

    圖6 3D打印機(jī)面包板清洗前后對比圖

    3 工件試驗表面質(zhì)量分析

    根據(jù)FDM 3D 打印機(jī)成型原理,工件是在面包板上生成的,面包板主要起到支撐和穩(wěn)固模型的作用。每次打印結(jié)束后,面包板上面都附著很多的ABS 耗材,如果沒有進(jìn)行完全的清洗,這將會導(dǎo)致模型的支撐層會不平整。在這一過程中由于材料體積收縮而產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力會造成原形的整體變形、翹曲甚至是打印中斷,進(jìn)而影響3D打印表面質(zhì)量和實(shí)體端面的平整度。圖7(a)所示為面包板附著物未清洗干凈情況下打印的工件,圖7(b)所示為面包板表面清洗干凈后打印出來的工件。

    圖7 面包板清洗干凈前后打印出的工件

    4 結(jié)束語

    本研究是基于單位重點(diǎn)實(shí)訓(xùn)室設(shè)備在使用過程中遇到的問題而展開的研究,且市場上沒有專門用于清洗這些附著物的清潔劑。試驗證明:本研究清洗工藝流程可以較好地清理現(xiàn)有面包板附著物,且清洗工藝流程操作簡單,實(shí)用性強(qiáng),實(shí)際使用效果較好,光整的面包板可以提升3D打印精度和實(shí)體端面的平整度,具有較好的實(shí)際指導(dǎo)意義。

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