基于FDM 的3D 打印工藝實(shí)驗(yàn)研究

宋鳳蓮， 黃 亞， 盛宗建

（武漢大學(xué) 大學(xué)生工程訓(xùn)練與創(chuàng)新實(shí)踐中心， 湖北 武漢 430072）

0 引言

3D 打印被稱為“具有工業(yè)革命意義的制造技術(shù)”，是制造領(lǐng)域中一項(xiàng)正在飛速發(fā)展的新興制造技術(shù)， 對(duì)現(xiàn)代制造業(yè)起著重要的引領(lǐng)作用[1-3]。 FDM（Fused Deposition Modeling），即熔融堆積成型，作為3D 打印的主流成型技術(shù)之一，因工藝環(huán)保，成本低，在教育、醫(yī)學(xué)、建筑等領(lǐng)域帶來了顛覆性的革命， 廣泛被桌面級(jí)3D 打印機(jī)采用[4]。其原理是采用絲狀材料作為原材料， 將加熱的材料從噴頭里擠出，在溫度低于材料熔點(diǎn)的工作臺(tái)上，迅速形成一層薄片輪廓截面，然后工作臺(tái)下降一定高度（即層厚），在計(jì)算機(jī)控制下，噴頭擠出材料并沿零件截面輪廓運(yùn)動(dòng)，同時(shí)與上一層擠出的材料粘接并在空氣中迅速固化， 如此循環(huán)便可形成實(shí)體零件。

目前國內(nèi)各高校大都開設(shè)了FDM 型3D 打印實(shí)驗(yàn)課，就調(diào)研情況看，實(shí)驗(yàn)人員對(duì)3D 打印設(shè)備工藝參數(shù)選擇較為盲目，工藝參數(shù)對(duì)成型質(zhì)量的影響知之甚少，成型件報(bào)廢率高，大都是固定照搬照套，循環(huán)出錯(cuò)，大大降低了教學(xué)效果。因此，F(xiàn)DM 型3D 打印工藝實(shí)驗(yàn)研究尤為必要。

1 影響FDM 成型質(zhì)量的工藝參數(shù)

影響FDM 成型質(zhì)量的工藝參數(shù)有很多，如：打印溫度、打印速度、擺放位置、壁厚、填充率、分層厚度及平臺(tái)調(diào)平等，其中填充率、分層厚度可依據(jù)成型件的功能定位要求進(jìn)行設(shè)置，而打印溫度、打印速度、成型方向及壁厚這幾個(gè)參數(shù)選擇起來往往帶有盲目性， 但又是決定成型質(zhì)量的重要要素[5]。

2 FDM 成型工藝實(shí)驗(yàn)分析

2.1 噴頭溫度

噴頭溫度是指噴頭在工作時(shí)的溫度， 對(duì)成型過程影響很大，是決定噴頭能否順利擠出的非常關(guān)鍵參數(shù)，直接決定了材料的粘性、流速和寬度。 基于FDM 成型材料的不同物理性能， 噴頭溫度必須保持稍高于成型材料的融化溫度，確保成型材料達(dá)到噴嘴時(shí)順利熔化。噴頭溫度設(shè)置不合理，是無法成型的。最理想的情況是使料絲保持在熔融狀態(tài)，即介于固態(tài)與液態(tài)之間，使其能正常工作均勻出絲。 如果噴頭溫度過低，造成料絲粘性不足，擠出速度慢，引起層間剝離，甚至可能導(dǎo)致料絲無法擠出；如果噴頭溫度過高，會(huì)造成材料偏向液態(tài)，流動(dòng)性強(qiáng)，前一層還未冷卻成型，后一層就堆積在它上方，形成坍塌導(dǎo)致無法成型[6-8]。

適用于FDM 成型材料通常使用生物可降解材料（PLA）和丙烯晴-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）。下面實(shí)驗(yàn)采用PLA（熔點(diǎn)180°C）打印空心杯進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，分析噴頭打印溫度與成型表面質(zhì)量的關(guān)系，見圖1 和表1。

圖1 不同噴頭溫度下的3D 打印效果圖

表1 不同噴頭溫度下的打印成型效果實(shí)驗(yàn)對(duì)比（設(shè)備型號(hào)Eazer）

實(shí)驗(yàn)研究表明，噴頭溫度高于熔點(diǎn)溫度10℃以下時(shí)，打印成型質(zhì)量差； 打印溫度高于熔點(diǎn)溫度20℃～50℃，隨著噴頭溫度的提高表面質(zhì)量隨之提高； 當(dāng)溫度升高至一定溫度時(shí)，打印成型質(zhì)量反而下降，直至停機(jī)。

2.2 成型方向

3D 打印成型的本質(zhì)是分層制造，逐層疊加，在逐層堆積的三維模型表面不可避免會(huì)出現(xiàn)分層的痕跡，影響成型質(zhì)量。 分層痕跡不僅與分層厚度有關(guān)，還與模型的擺放位置有關(guān)，擺放位置直接影響到支撐的設(shè)置、剝離的難度、打印時(shí)間及耗材的多少[9-11]。 圖2 展示出了不同成型方向，表2 列出了不同擺放位置及3D 打印成型的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。

圖2 三維模型風(fēng)扇不同成型方向

圖3 風(fēng)扇不同方向的成型預(yù)覽

表2 不同成型方向3D 打印的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性

由表2 可見，方案a 軸線水平，雙葉片朝下，省材省時(shí)，成本低，支撐少，易剝離，后處理少，表面質(zhì)量有保障；方案b 及方案c 支撐多， 后處理量大， 且扇葉作為重要表面，支撐剝離后經(jīng)后處理，扇葉表面質(zhì)量往往難盡人意。

因此，選擇成型方向設(shè)計(jì)擺放模型時(shí)，須充分考慮支撐結(jié)構(gòu)的合理設(shè)置，減小支撐結(jié)構(gòu)與零件的接觸面積，選擇支撐結(jié)構(gòu)少和去除容易的成型方向。 表面質(zhì)量要求高的面不宜放在與打印平臺(tái)平行的位置。

2.3 模型的最小壁厚

FDM 型3D 打印機(jī)對(duì)打印模型的最小壁厚有一定的要求。 利用材料PLA，噴嘴直徑0.4，分層厚度0.25，打印最小壁厚分別為0.5mm、1.0mm、1.5mm 的空心杯，成型效果見圖4。

圖4 不同壁厚3D 成型效果圖

實(shí)驗(yàn)表明， 壁厚為0.5mm 的模型出現(xiàn)了破口和裂紋，壁厚為1.0mm的模型裂紋明顯， 壁厚為1.5mm 的模型表面質(zhì)量完好。為了保證成型質(zhì)量，設(shè)計(jì)空心殼體模型時(shí)最小壁厚不宜低于噴嘴直徑的3 倍。

2.4 基座打印速度

打印速度是指噴嘴出絲時(shí)打印頭在電機(jī)驅(qū)動(dòng)下的移動(dòng)速度。3D 模型打印時(shí)，如果模型與工作平臺(tái)接觸面小，需設(shè)置基座，提高成型的穩(wěn)定性與牢固性?；蛴∷俣鹊拇笮≈苯佑绊懙侥Ｐ突诠ぷ髋_(tái)上是否平整粘結(jié)牢固，如速度控制不到位，將導(dǎo)致出料不均勻致使多料或缺料[12]，影響到模型的后續(xù)成型質(zhì)量。 如果速度過快則會(huì)造成噴嘴供料不足，使料絲被拉細(xì)，影響片層的填充，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)產(chǎn)生斷層，不但降低了成型精度，還會(huì)影響制件的力學(xué)性能。基座如有翹邊或裂紋，模型的后續(xù)成型質(zhì)量無法保證，打印需要及時(shí)終止。

如圖5 所示，打印速度在40m/s～20m/s，基座與工作臺(tái)的粘結(jié)情況。

圖5 不同打印速度的基座成型效果圖

表3 不同速度下的基座成型效果對(duì)比

實(shí)驗(yàn)表明：圖5（a）基座翹邊很多，隨著打印速度的降低，圖5（b）翹邊現(xiàn)象逐漸改善，當(dāng)基座打印速度降低至20m/s 時(shí)，基座與工作平臺(tái)粘結(jié)越牢固平整，基座成型質(zhì)量滿足要求，為后續(xù)的分層成型夯實(shí)根基。

3 結(jié)束語

以上實(shí)驗(yàn)研究采用的是單噴頭噴嘴直徑0.4，PLA 材料及EAZER 設(shè)備打印， 實(shí)驗(yàn)分析了影響FDM 成型質(zhì)量的工藝參數(shù)：成型方向、噴頭溫度、模型的最小壁厚、 基座打印速度，探討了提高成型質(zhì)量、提高成型效率及降低廢品率的方法。 利用ABS 材料及軟性TPU 材料，如何對(duì)多噴頭的打印成型工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化配置， 是未來值得研究的課題。