大流量顆粒料3D打印跳轉(zhuǎn)拉絲控制研究*

李昭勛，王 曉，吳華英，王彥麗

(1.西安增材制造國(guó)家研究院有限公司，陜西 西安 710117；2.西安交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710049)

0 引言

熔融沉積成型(Fused DepositionModeling，F(xiàn)DM)技術(shù)作為快速成型(Rapid Prototyping，RP)的技術(shù)方法之一，與其他RP技術(shù)相比，具有低成本、易操作、容易維護(hù)的優(yōu)勢(shì)，從而使其成為應(yīng)用較為廣泛的3D打印技術(shù)之一[1]。尤其在新產(chǎn)品研發(fā)階段，可以大幅度縮短生產(chǎn)周期，降低企業(yè)研發(fā)成本，提高新產(chǎn)品的迭代效率，進(jìn)而提高其市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力[2]。

基于FDM工藝熔融沉積的原理，在打印過程中只要存在跳轉(zhuǎn)的位置，必然會(huì)出現(xiàn)滴料和拉絲問題。通常在模型打印完成后，跳轉(zhuǎn)部位連接處即會(huì)出現(xiàn)大量的絲，往往需要非常小心地用工具將其處理干凈，其打印成本和周期隨之提高[3，4]。滴料、拉絲問題不僅會(huì)影響打印件的表面質(zhì)量，甚至還會(huì)造成較為嚴(yán)重的尺寸誤差，從而導(dǎo)致打印件報(bào)廢。

對(duì)于桌面級(jí)的FDM設(shè)備，打印原材料多為絲材，其打印拉絲控制一般從打印頭結(jié)構(gòu)改進(jìn)及工藝參數(shù)調(diào)整兩方面進(jìn)行[5]，因?yàn)樽烂婕?jí)的FDM設(shè)備其打印頭噴嘴直徑通常僅0.4 mm，擠出的材料非常細(xì)，易于實(shí)現(xiàn)斷裂控制。而對(duì)于成型尺寸大、打印效率高的螺桿擠出式工業(yè)級(jí)FDM打印設(shè)備，其打印噴嘴直徑大(1 mm～5 mm，甚至更大)，擠出流量高，使得擠出材料的直徑變大，跳轉(zhuǎn)引起的拉絲直徑也在隨之變大，在跳轉(zhuǎn)過程中，拉絲與本體形成較為牢固的“焊接”結(jié)構(gòu)，加大了后處理的難度。

事實(shí)上，拉絲現(xiàn)象是非牛頓流體的固有特性，拉絲不僅與分子結(jié)構(gòu)有關(guān)，還與熔體黏度、打印頭的噴嘴溫度、噴嘴結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)。本文采用西安增材制造國(guó)家研究院有限公司自主開發(fā)的工業(yè)級(jí)螺桿擠出式FDM設(shè)備(EDP-P01)，通過研究跳轉(zhuǎn)距離、跳轉(zhuǎn)速度、打印路徑等切片參數(shù)對(duì)打印件重量、尺寸精度、拉絲量等的影響，并且通過優(yōu)化切片參數(shù)觀察拉絲情況的改善程度[6，7]，從而得到提高工業(yè)級(jí)大擠出量FDM打印設(shè)備打印件表面質(zhì)量及精度的方法。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)材料為臺(tái)灣奇美實(shí)業(yè)股份有限公司生產(chǎn)的ABS顆粒，牌號(hào)PA-757，顆粒直徑約2.75 mm、長(zhǎng)度為3 mm，打印溫度為180 ℃～250 ℃。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)設(shè)備為西安增材制造國(guó)家研究院有限公司自主開發(fā)的FDM打印機(jī)EDP-P01(螺桿擠出熔融沉積成型設(shè)備)，噴嘴直徑為2.5 mm，如圖1所示。

圖1 EDP-P01設(shè)備

1.3 模型打印

1.3.1 建模

1.3.2 切片

采用AMSP-EDP軟件進(jìn)行切片。

1.3.3 打印條件

采用EDP-P01設(shè)備，分別對(duì)上述3種模型進(jìn)行打印。所有模型的打印溫度均為225 ℃，底板溫度均為80 ℃，層厚均為1 mm，打印速度分別為30 mm/s、40 mm/s和50 mm/s三種，線寬為2.5 mm或4.9 mm。

打印路徑如下：

(1)線寬為4.9 mm時(shí)，第一個(gè)單條往返走一個(gè)來回，然后以最短距離跳轉(zhuǎn)至下一單條，繼續(xù)往返走一個(gè)來回，再跳轉(zhuǎn)至第一個(gè)單條……重復(fù)上述路徑直至整個(gè)模型打印完成，折返回來時(shí)線寬理論上僅為0.1 mm。之所以這樣設(shè)置，是為了保證跳轉(zhuǎn)點(diǎn)始終固定在兩個(gè)點(diǎn)，可以最簡(jiǎn)單直接地反映問題。簡(jiǎn)化的跳轉(zhuǎn)拉絲模型見圖2。

圖2 簡(jiǎn)化的跳轉(zhuǎn)拉絲模型

(2)線寬為2.5 mm時(shí)，整個(gè)打印路徑同上，只是所有線寬均為2.5 mm。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 跳轉(zhuǎn)對(duì)打印件整體重量的影響

采用第(1)種打印路徑進(jìn)行切片，打印速度為40 mm/s，跳轉(zhuǎn)距離分別為50 mm、100 mm、200 mm。打印完成后稱量模型總重，并與模型的理論重量進(jìn)行對(duì)比，研究跳轉(zhuǎn)拉絲過程對(duì)打印件整體重量的影響。

而且今年，我們還很高興邀請(qǐng)到了專攻新西蘭葡萄酒的專家，劉玲女士輔助David作翻譯講解。David的專業(yè)講解，劉玲老師在翻譯之余也時(shí)不時(shí)拋出自己的經(jīng)驗(yàn)和種種干貨，讓參與嘉賓贊聲連連。也難怪有嘉賓表示：“內(nèi)容很多干貨。看得出大師選酒很用心。每款酒都能代表產(chǎn)區(qū)特色、品種風(fēng)格，哪怕是同樣品種，不同酒款的特色也很鮮明，讓我們深入感受到，個(gè)性新西蘭，何止長(zhǎng)相思?！?/p>

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：跳轉(zhuǎn)拉絲幾乎不會(huì)引起模型整體重量變化。這是由于模型的總重量是由螺桿在打印過程中的總轉(zhuǎn)數(shù)決定的，而螺桿的轉(zhuǎn)動(dòng)直接受G代碼控制。因此，模型一旦切片完成，模型重量就已確定，最終打印件的重量?jī)H僅會(huì)受螺桿進(jìn)出料的波動(dòng)影響而存在小范圍偏差。而跳轉(zhuǎn)引起的拉絲是由于結(jié)構(gòu)缺陷導(dǎo)致的，因此拉絲量包含在出料總量中，拉絲量越大，實(shí)體缺料量則越大。跳轉(zhuǎn)對(duì)打印件重量的影響如圖3所示。

圖3 跳轉(zhuǎn)對(duì)打印件重量的影響 圖4 跳轉(zhuǎn)對(duì)跳轉(zhuǎn)端寬度偏差的影響

2.2 跳轉(zhuǎn)對(duì)打印件尺寸偏差的影響

采用第(1)種打印路徑進(jìn)行切片，打印速度為40 mm/s，跳轉(zhuǎn)距離分別為50 mm、100 mm、200 mm。打印完成后對(duì)跳轉(zhuǎn)端的寬度進(jìn)行測(cè)量，研究跳轉(zhuǎn)拉絲過程對(duì)打印件尺寸偏差的影響。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：不同跳轉(zhuǎn)距離下跳轉(zhuǎn)端的實(shí)際壁厚均比理論值小，且跳轉(zhuǎn)距離越大壁厚偏差越大。這是因?yàn)樘D(zhuǎn)過程會(huì)出現(xiàn)滴料拉絲現(xiàn)象，而在跳轉(zhuǎn)至下一個(gè)點(diǎn)時(shí)會(huì)出現(xiàn)缺料現(xiàn)象(即模型的實(shí)際壁厚變小)。導(dǎo)致這一結(jié)果的直接原因是螺桿擠出量的變化，而在螺桿結(jié)構(gòu)和材料種類確定且材料打印溫度一定的情況下，螺桿的擠出量與塑化壓力有關(guān)。在打印過程中螺桿機(jī)筒內(nèi)始終存在塑化壓力，該塑化壓力在打印過程中會(huì)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，以保證材料的均勻擠出。塑化壓力與螺桿轉(zhuǎn)速有關(guān)，螺桿轉(zhuǎn)速越大，則塑化壓力越大。在打印頭開始跳轉(zhuǎn)時(shí)，螺桿停止轉(zhuǎn)動(dòng)，熔融態(tài)的材料在自身重力及機(jī)筒內(nèi)塑化壓力的雙重作用下被擠出(即滴料拉絲現(xiàn)象)，導(dǎo)致塑化壓力降低；而當(dāng)打印頭跳轉(zhuǎn)過程完成后，螺桿開始轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)機(jī)筒內(nèi)塑化壓力仍然較低，出料量自然較少，直至塑化壓力達(dá)到跳轉(zhuǎn)前的大小，才能達(dá)到正常的擠出量。因此，跳轉(zhuǎn)端的實(shí)際壁厚要比理論壁厚小。跳轉(zhuǎn)對(duì)跳轉(zhuǎn)端寬度偏差的影響如圖4所示。

2.3 跳轉(zhuǎn)距離對(duì)拉絲量的影響

采用第(1)種打印路徑進(jìn)行切片，打印速度為40 mm/s，跳轉(zhuǎn)距離分別為50 mm、100 mm和200 mm，模型打印完成后通過對(duì)拉絲量的稱量，研究跳轉(zhuǎn)距離對(duì)拉絲量的影響。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：拉絲量隨跳轉(zhuǎn)距離的增大而增大。這是因?yàn)閷?duì)于高分子熔體來說，其本身分子鏈較長(zhǎng)且有一定卷曲，因此熔體從噴嘴滴落時(shí)并不能立即成團(tuán)掉落，而是會(huì)經(jīng)歷從拉伸、變細(xì)到最終成絲的過程。而在打印速度相同的情況下，跳轉(zhuǎn)距離越大則跳轉(zhuǎn)所需時(shí)間越長(zhǎng)，即噴嘴滴料的時(shí)間越長(zhǎng)，從而導(dǎo)致拉絲量越大?？梢猿醪降玫教D(zhuǎn)時(shí)間越長(zhǎng)，則拉絲量越大的結(jié)論。不同跳轉(zhuǎn)距離的打印件如圖5所示，跳轉(zhuǎn)距離對(duì)拉絲量的影響如圖6所示。

圖5 不同跳轉(zhuǎn)距離的打印件

圖6 跳轉(zhuǎn)距離對(duì)拉絲量的影響 圖7 跳轉(zhuǎn)速度對(duì)跳轉(zhuǎn)拉絲量的影響

2.4 跳轉(zhuǎn)速度對(duì)拉絲量的影響

為進(jìn)一步驗(yàn)證跳轉(zhuǎn)時(shí)間與拉絲量的關(guān)系，采用第(1)種打印路徑進(jìn)行切片，跳轉(zhuǎn)距離為200 mm，打印速度分別為30 mm/s、40 mm/s和50 mm/s，模型打印完成后通過對(duì)拉絲量的稱量，對(duì)比不同跳轉(zhuǎn)速度下的拉絲量變化。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：跳轉(zhuǎn)距離一定，拉絲量隨跳轉(zhuǎn)速度的增大而減小。這是由于跳轉(zhuǎn)距離一定的情況下，跳轉(zhuǎn)速度越大，則跳轉(zhuǎn)所需時(shí)間越短，即噴嘴滴料時(shí)間越短，拉絲量越小。進(jìn)一步說明跳轉(zhuǎn)過程中的拉絲量與跳轉(zhuǎn)時(shí)間有關(guān)，跳轉(zhuǎn)時(shí)間越長(zhǎng)，則拉絲量越大。跳轉(zhuǎn)速度對(duì)跳轉(zhuǎn)拉絲量的影響如圖7所示。

2.5 優(yōu)化打印參數(shù)控制拉絲量和尺寸精度

通過上述研究結(jié)果可以得到，縮短跳轉(zhuǎn)距離、提高跳轉(zhuǎn)速度可以在一定程度上減少拉絲，并且可以減小打印件的尺寸偏差。縮短跳轉(zhuǎn)距離和提高跳轉(zhuǎn)速度本質(zhì)上均為減小跳轉(zhuǎn)時(shí)間，而在跳轉(zhuǎn)時(shí)間一定的情況下，通過降低螺桿轉(zhuǎn)速(即降低螺桿機(jī)筒內(nèi)部壓力)理論上可進(jìn)一步減少拉絲量。將打印線寬由5 mm減小到2.5 mm(即由單路徑打印變?yōu)殡p路徑打印)，而打印速度和跳轉(zhuǎn)距離保持一致，即可實(shí)現(xiàn)跳轉(zhuǎn)時(shí)間一致，螺桿轉(zhuǎn)速降低為原來的50%。同時(shí)，在不同速度下通過雙路徑打印進(jìn)一步驗(yàn)證跳轉(zhuǎn)時(shí)間對(duì)拉絲量和打印件尺寸偏差的影響。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：將打印線寬由5 mm減小到2.5 mm后，拉絲量明顯減小，而且，跳轉(zhuǎn)端的壁厚與理論值的偏差也明顯減小。充分說明在打印速度和跳轉(zhuǎn)距離不變的情況下，可以通過減小打印線寬來降低螺桿轉(zhuǎn)速，進(jìn)而降低螺桿機(jī)筒內(nèi)壓力，最終減少滴料拉絲量。工藝優(yōu)化后跳轉(zhuǎn)距離對(duì)拉絲量的影響如圖8所示，對(duì)模型跳轉(zhuǎn)端寬度的影響如圖9所示。

圖8 工藝優(yōu)化后跳轉(zhuǎn)距離對(duì)拉絲量的影響

圖9 工藝優(yōu)化后跳轉(zhuǎn)距離對(duì)模型跳轉(zhuǎn)端寬度的影響

3 結(jié)論

(1)在打印材料確定且打印溫度一定時(shí)，螺桿擠出熔融沉積3D打印設(shè)備打印過程中因跳轉(zhuǎn)導(dǎo)致的拉絲量主要由跳轉(zhuǎn)時(shí)間和跳轉(zhuǎn)前螺桿機(jī)筒內(nèi)部壓力決定。跳轉(zhuǎn)過程對(duì)打印件整體重量無影響，但會(huì)影響打印件的表面質(zhì)量和尺寸偏差。

(2)跳轉(zhuǎn)引起的拉絲量隨跳轉(zhuǎn)時(shí)間的增加而增大，拉絲量亦隨跳轉(zhuǎn)前螺桿機(jī)筒內(nèi)部壓力的增大而增大。

(3)跳轉(zhuǎn)端由于滴料拉絲會(huì)導(dǎo)致模型的實(shí)際壁厚比理論壁厚小。

(4)對(duì)于工業(yè)級(jí)螺桿擠出式FDM設(shè)備，針對(duì)跳轉(zhuǎn)較多的模型進(jìn)行參數(shù)設(shè)置時(shí)，適當(dāng)提高打印速度、減小線寬、通過路徑優(yōu)化減小跳轉(zhuǎn)距離，均可在一定程度上減少因跳轉(zhuǎn)導(dǎo)致的拉絲量，從而提高打印件的表面質(zhì)量和尺寸精度。