ABS塑料的3D打印工藝優(yōu)化研究

付建軍

（楊凌職業(yè)技術(shù)學院機電工程學院，陜西楊凌712100）

隨著材料加工工藝的更新?lián)Q代以及計算機技術(shù)的進一步發(fā)展，3D打印技術(shù)成為一種引人矚目的加工方法。在高分子材料加工領(lǐng)域，3D打印技術(shù)也逐漸占據(jù)了十分重要地位，在制造薄壁制件和具有復雜形狀的零件、工藝品等方面，應用十分廣泛[1-10]。ABS塑料是一種具有十分優(yōu)異的力學強度、表面硬度以及抗沖擊性能的高分子材料，而且具有較好的化學惰性，能夠應用在眾多領(lǐng)域，例如汽車工程、建筑工程、室內(nèi)裝飾等。由于ABS是一種熱塑性塑料，具有較好的加工性能，可以通過3D打印技術(shù)制造出各式各樣的產(chǎn)品，是一種十分常見的3D打印用高分子絲材[11-12]。

由于3D打印技術(shù)可用于薄壁制品和具有復雜結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品的制造，因此對于加工工藝進行優(yōu)化和控制，可以有效地實現(xiàn)產(chǎn)品性能和質(zhì)量的改善。例如，對于薄壁塑料制件，翹曲變形是十分典型的缺陷。在3D打印過程中，無論是聚合物絲材熔體的流動性、打印速率，還是打印平臺的溫度和冷卻速率，都會影響到制件的翹曲變形量[13-15]。為了探究3D打印工藝對ABS塑料制件的影響，本文模擬了不同溫度參數(shù)、速率參數(shù)下所制造的ABS材質(zhì)手機外殼的翹曲變形情況，并對各個因素的影響進行了詳細的研究。

1 實驗部分

1.1 實驗原料

ABS塑料：牌號ABS-PA-707，密度為1.05～1.08 g/cm3，含水量小于1%，熔融溫度為200～230 ℃。

1.2 試驗設備

3D打印機：型號為DC-1000，湖北地創(chuàng)三維科技有限公司。

1.3 ABS制件的3D打印

稱取1.0 kg的ABS絲材，置于3D打印機的料筒中。按照打印工藝參數(shù)設置好供料段溫度、壓縮段溫度、均化段溫度、打印速率和打印平臺溫度（詳見正文部分），然后開啟3D打印機自動打印模式，完成ABS制件的3D打印加工。

2 結(jié)果與討論

2.1 溫度工藝參數(shù)的影響

本文首先對3D打印的溫度工藝參數(shù)對ABS手機殼的翹曲變形量的影響進行了研究。在3D打印過程中，溫度參數(shù)分3段進行控制，分別為供料段溫度、壓縮段溫度和均化段溫度。本文通過正交實驗研究了溫度參數(shù)對制件翹曲變形量的影響，實驗結(jié)果見表1。

表1 3D打印溫度參數(shù)正交試驗Table 1 Orthogonal test of 3D printing temperature parameters

當壓縮段溫度和均化段溫度分別保持在190℃和210℃不變時，供料段溫度由180℃升至200℃后，制件的翹曲變形量由0.2212mm降低至0.1923mm。在供料段，ABS塑料被預熱，隨著供料段溫度提高，ABS發(fā)生軟化的程度更高，則在壓縮段和均化段更容易轉(zhuǎn)變?yōu)榱鲃有阅芎玫牧黧w。也就是說當供料段溫度為200℃時，物料的溫度更接近其熔融溫度，經(jīng)過壓縮段，更容易在均化段轉(zhuǎn)變?yōu)榫?、流動性好的流體，因此相應制件的翹曲變形量相對較低。當供料段溫度和均化段溫度分別保持在180℃和210℃不變時，對壓縮段溫度進行優(yōu)化發(fā)現(xiàn)：壓縮段溫度由190℃升至210℃后，制件的翹曲變形量由0.2212mm降低至0.1027mm。在壓縮段，ABS塑料進一步軟化，隨著壓縮段溫度提高，ABS發(fā)生軟化的程度更高，則在均化段更容易轉(zhuǎn)變?yōu)榱鲃有阅芎玫牧黧w。當壓縮段溫度為210℃時，物料已經(jīng)出現(xiàn)部分熔融，更容易在均化段轉(zhuǎn)變?yōu)榫?、流動性好的流體，因此相應制件的翹曲變形量相對較低。當供料段溫度和壓縮段溫度分別保持在180℃和190℃不變時，對均化段溫度進行優(yōu)化發(fā)現(xiàn)：均化段溫度由210℃升至230℃后，制件的翹曲變形量由0.2212mm降低至0.0765 mm。在均化段，ABS塑料由軟化的固相轉(zhuǎn)變?yōu)榱鲃酉?，隨著均化段溫度提高，ABS發(fā)生熔融程度更高，流性能更好。因此，當均化段溫度為230℃時，相應制件的翹曲變形量相對較低。

另外，我們探究供料段溫度、壓縮段溫度和均化段溫度對制件翹曲變形量的影響程度，如圖1所示。

圖1 不同溫度因素對制件翹曲變形量的影響Fig. 1 Influence of different temperature factors on the warping deformation of the workpiece

由圖1可知：當供料段溫度發(fā)生變化時，制件的翹曲變形量并未產(chǎn)生明顯的變化；但當壓縮段和均化段的溫度發(fā)生變化時，制件的翹曲變形量變化較為明顯。這說明，壓縮段和均化段對ABS塑料熔體的流動性能影響較為顯著，但送料段的影響不大。不過，為了保證ABS塑料由固體到流體的均勻轉(zhuǎn)化，一般需要保持均化段溫度＞壓縮段溫度＞供料段溫度。因此對于溫度參數(shù)的最佳組合應該為：供料段溫度200℃，壓縮段溫度210℃，均化段溫度230°C。

2.2 打印速率的影響

本文還研究了3D打印速率參數(shù)對制件翹曲變形量的影響。如表2所示，隨著打印速率由20 mm/s提高至100 mm/s，制件的翹曲變形量出現(xiàn)了先降低再升高的變化趨勢。當打印速率為40 mm/s時，制件的翹曲變形量為0.0544 mm；而當打印速率為20 mm/s時，制件的翹曲變形量為0.0981 mm。這是由于，打印速率過慢，ABS塑料熔體由打印噴頭噴出的過程中已經(jīng)發(fā)生部分冷卻，因此沉積在打印平臺上形成制件后，會出現(xiàn)較為明顯的翹曲變形。然而，當打印速率高于40 mm/s后，由60 mm/s增至100 mm/s的過程中，制件的翹曲變形量由0.653 mm逐漸提高至0.1022 mm。這是由于，打印速率過快，ABS熔體快速沉積在打印平臺上，會導致制件各部位冷卻速率不均一，從而造成翹曲變形量變大。由表2數(shù)據(jù)可知，較為適合ABS塑料的打印速率為40 mm/s。

表2 3D打印速率參數(shù)的影響Table 2 Influence of 3D printing rate parameters

2.3 打印平臺溫度的影響

本文還研究了3D打印機打印平臺溫度對制件翹曲變形量的影響。如表3所示，隨著打印平臺溫度由20℃提高至80℃，制件的翹曲變形量出現(xiàn)了先降低再升高的變化趨勢。當打印平臺溫度為60℃時，制件的翹曲變形量為0.0544 mm；而當打印速率為20℃和40℃時，制件的翹曲變形量分別為0.0897 mm和0.0732 mm。這是由于，若打印平臺的溫度較低，ABS塑料熔體由打印噴頭噴出，沉積在打印平臺上形成制件時，會出現(xiàn)快速的凝固，來不及釋放熔體內(nèi)部的內(nèi)應力，造成較為明顯的翹曲變形。然而，當打印平臺溫度高于60℃時，相應制件的翹曲變形量出現(xiàn)了再次升高的現(xiàn)象。當打印平臺溫度為80℃時，相應制件的翹曲變形量為0.0662mm。這是由于較高的打印平臺溫度使得之間的冷卻時間邊長，也會進一步造成不同部位的冷卻速率出現(xiàn)差異，從而造成翹曲變形量變大。由表3數(shù)據(jù)可知，較為適合ABS塑料的打印平臺溫度為60℃。

表3 3D打印平臺溫度的影響Table 3 Influence of temperature of 3D printing platform

2.4 3D打印實驗研究

通過上述實驗研究發(fā)現(xiàn)，適用于該ABS塑料手機外殼的3D打印工藝參數(shù)組合為：供料段溫度為200℃，壓縮段溫度為210℃，均化段溫度為230℃，打印速率為40 mm/s，打印平臺溫度為60℃。在該工藝參數(shù)組合下，我們進行了10組ABS塑料手機外殼制件的3D打印制備，并對制件的翹曲變形量進行了測量，實驗結(jié)果見表4。

表4 ABS塑料制件3D打印實驗驗證結(jié)果Table 4 Experimental verification results of ABS plastic parts 3D printing

由表4實驗結(jié)果可知，十次實驗結(jié)果的翹曲變形量相差不大，最高為0.0562 mm，最低為0.0512 mm，平均翹曲變形量為0.0544 mm。與理論翹曲變形量相比，各組制件的翹曲變形量絕對誤差均較小，最大僅為0.0018 mm，最小為0mm。十組實驗的標準差為0.0005。以上實驗結(jié)果說明，本文的模擬仿真結(jié)果較為準確，而且經(jīng)模擬仿真所得到的優(yōu)化工藝參數(shù)組合也較適合該ABS手機外殼的3D打印制備，所制得的制件翹曲變形量較低，質(zhì)量穩(wěn)定。

3 結(jié)論

本研究對ABS塑料手機外殼的3D打印工藝參數(shù)進行模擬優(yōu)化，得到了最佳的工藝參數(shù)組合：供料段溫度為200℃，壓縮段溫度為210℃，均化段溫度為230℃，打印速率為40 mm/s，打印平臺溫度為60℃。打印溫度、打印速率和打印平臺溫度均對制件的翹曲變形量產(chǎn)生了較為明顯的影響，其中打印速率參數(shù)組合中壓縮段溫度和均化段溫度影響較為顯著，供料段溫度影響較小。另外，在最佳工藝組合的工藝參數(shù)下制備了十組ABS塑料手機外殼，最終實驗結(jié)果與模擬仿真結(jié)果相符程度較高，最大翹曲變形量為0.0562 mm，最低為0.0512 mm，各組制件的翹曲變形量絕對誤差均較小，最大僅為0.0018 mm，最小為0mm。十組實驗的標準差為0.0005。