工藝參數(shù)對FDM打印航空鈑金試樣件底面邊角翹邊的影響★

殷海瞇，歐佳順

（長沙航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙 410124）

引言

隨著航空航天、電子信息、醫(yī)學(xué)醫(yī)療等領(lǐng)域的迅猛發(fā)展，傳統(tǒng)去除材料的加工方式造成原材料的大量浪費、生產(chǎn)周期長、無法應(yīng)對復(fù)雜結(jié)構(gòu)輪廓零件的制造，且在行業(yè)發(fā)展正處于工業(yè)4.0，智能制造2025大趨勢下，數(shù)字化改造、綠色制造、個性化定制成為主要研究方向[1-2]。3D打印技術(shù)相較于傳統(tǒng)減材制造產(chǎn)品，方式上存在很大差異，屬于逐層熔化累加增材制造，依據(jù)計算機(jī)輔助設(shè)計（CAD）等手段實現(xiàn)模型實時修改和縮短制造周期，從而提高效率[3]。

近年來，關(guān)于3D打印方面的研究熱度持續(xù)上漲[4-5-6]。針對航空類難加工零部件，它們都有一個相似點：輪廓復(fù)雜外形尺寸較長。不管是實際生產(chǎn)應(yīng)用還是教具件制作，在以PLA為原材料FDM打印過程中，尤其是底部呈寬扁平狀且有尖角結(jié)構(gòu)的教具件打印時，很大概率發(fā)生底面與平臺脫離現(xiàn)象。尤其是在類似三角形結(jié)構(gòu)邊角處容易出現(xiàn)翹邊彎曲問題，針對寬扁平零件邊緣處翹邊現(xiàn)象，研究FDM打印工藝參數(shù)對提高零件成形質(zhì)量具有一定的價值。

本文針對呈現(xiàn)扁平外形輪廓的特定航空零件，利用UG創(chuàng)建試樣模型。在FDM打印過程中采用正交實驗法，系統(tǒng)研究不同工藝參數(shù)對模型打印過程中出現(xiàn)邊角翹邊現(xiàn)象的影響，得出最優(yōu)成形質(zhì)量的FDM打印工藝。通過研究填充方式（三角形、六邊形、線形）、打印溫度（190℃、210℃和230℃）以及打印速度（30 mm/s、60 mm/s）對比分析扁平長零件邊緣處翹邊問題。為FDM打印上解決邊角翹邊問題做科學(xué)依據(jù)，為FDM實際生產(chǎn)應(yīng)用過程上做技術(shù)支撐。

1 實驗方法

實驗所使用的試樣三維模型通過UG軟件構(gòu)建并導(dǎo)出為STL格式文件，設(shè)備使用陜西閃鑄科技有限公司生產(chǎn)的dreamer nx系列FDM打印機(jī)，通過配套切片軟件Flashprint進(jìn)行填充方式、打印溫度、打印速度等參數(shù)設(shè)置后生成Gcode文件，最后傳送Gcode文件至打印機(jī)中進(jìn)行試件部分的打印。實驗材料選用閃鑄提供直徑Φ1.75mm的PLA線材（聚乳酸），其熱穩(wěn)定性好，加工溫度在170～230℃，制成線性材料適用于多數(shù)常規(guī)FDM設(shè)備打印。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同填充方式下邊角翹邊情況

通過正交對比試驗，得出不同填充方式打印過程中邊角翹邊情況，如下頁圖1所示。從圖中可以看出，線形、六邊形填充打印5 mm扁平凸臺情況下，試樣都出現(xiàn)了一定程度的翹邊，六邊形尖角處翹邊最大，尺寸在1 mm左右。線形條件下沒有出現(xiàn)翹邊現(xiàn)象，線形填充本質(zhì)上是矩形支撐打印，相當(dāng)于四邊形填充，從結(jié)果可以看出，隨著填充圖案邊數(shù)的增加，翹邊現(xiàn)象更加明顯。

圖1 不同填充方式下試樣邊角翹邊情況

2.2 不同打印速度下邊角翹邊情況

針對扁平試樣，選取了30 mm/s、60 mm/s兩個打印速度研究邊角翹邊情況，如下頁圖2所示。在30 mm/s打印速度下，試樣邊角處并未出現(xiàn)翹邊現(xiàn)象，與工作臺底板接觸良好。當(dāng)設(shè)定打印溫度在60 mm/s時，出現(xiàn)了輕微的翹邊，并不明顯。噴嘴擠出絲材之前，還需要對材料進(jìn)行預(yù)熱。隨著打印速度加快，在與底板接觸材料層還沒有完全與工作臺貼紙粘貼牢固的前提下，直接與下一層已經(jīng)預(yù)熱材料相黏接，久而久之，試樣邊緣相較于中間冷卻時間縮短，造成邊緣發(fā)生輕微的翹邊，5 mm厚的寬體凸臺翹邊尺寸在1 mm以內(nèi)。

圖2 不同打印速度試樣邊角翹邊情況

2.3 不同打印溫度下邊角翹邊情況

寬扁平試樣在不同打印溫度下條件下，底面邊角翹邊情況如圖3所示。當(dāng)打印溫度設(shè)置為190℃時，可以發(fā)現(xiàn)試樣邊緣嚴(yán)重變形，伴隨有一定程度自外向內(nèi)的扭曲，而且邊緣翹邊現(xiàn)象明顯。提高打印溫度至210℃，變形情況不再出現(xiàn)，邊緣未出現(xiàn)翹邊現(xiàn)象。打印溫度的升高有效解決了邊緣翹邊問題。在打印過程中，為了提高底面表面質(zhì)量，同時避免邊緣尖角翹邊現(xiàn)象的發(fā)生，在底面附加打印一層底板，底板本身比樣件更薄更寬，當(dāng)打印溫度在230℃時，發(fā)現(xiàn)底板與工作臺底面接觸牢固，樣件邊緣在底板上也未發(fā)生翹邊現(xiàn)象。

圖3 不同打印溫度試樣邊緣翹邊情況

3 結(jié)論

本文以航空鈑金件作為目標(biāo)件創(chuàng)建實驗樣本模型，此類零件典型特點是扁、平、寬、長。選取了填充方式、打印速度、打印溫度三個常用工藝參數(shù)進(jìn)行實驗，研究了不同工藝參數(shù)對試樣邊緣邊角翹邊的影響如下：

1）通過實驗發(fā)現(xiàn)，填充方式、打印速度、打印溫度對試樣邊角翹邊均產(chǎn)生一定的影響，尤其是打印溫度對邊角翹邊的影響顯著。

2）填充方式影響試樣邊角翹邊，通過對試驗結(jié)果分析可以得出，各種填充方式的影響順序如下：三角形＜線形＜六邊形，填充形狀角邊越多，越容易對邊角翹邊造成影響。

3）實驗過程中發(fā)現(xiàn)，在打印速度上，30 mm/s打印下比60 mm/s試樣成型質(zhì)量更高，速度越快越容易產(chǎn)生邊角翹邊。

4）打印溫度的設(shè)定是保證試樣成形質(zhì)量的關(guān)鍵，從實驗結(jié)果可知，190℃并不是PLA打印的理想溫度，試樣很容易發(fā)生變形、邊緣翹邊。調(diào)節(jié)溫度至210℃能夠顯著降低邊緣翹邊現(xiàn)象的發(fā)生率，實驗中也未發(fā)生翹邊。但是打印溫度不能太高，230℃依然能保證試樣成形質(zhì)量的前提下，可以在試樣底面設(shè)置底板一起打印，底板的設(shè)置并不會造成邊緣翹邊，同時還能提高試樣底部表面質(zhì)量。