基于快速成型技術的車載多功能物品架制備工藝研究

肖陽 李青云 李衛 張樂 周小俐

摘 要：運用3D軟件正向或者逆向創建車載多功能物品架的三維模型，經過修改后得到想要打印的產品三維模型，并經STL數據轉換后輸入到快速成型設備系統中，設置合理的支撐與擺放方式，合理運用激光選區燒結法、熔融沉積法等快速成型方式，在SLS、FDM成型設備上完成設計產品的打印后，將車載多功能物品架產品原型經過一定的后處理，如，支撐材料的去除、固化、修補、打磨、拋光、上色等強化處理等，滿足產品或模型制件的最終要求。

關鍵詞：快速成型技術 激光選區燒結法（SLS） 熔融沉積法（FDM）

中圖分類號：TH164 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）03（c）-0001-04

快速成型技術（簡稱RP），是基于材料堆積法的一種高新制造技術，是由CAD模型直接驅動的快速制造任意復雜形狀三維物理實體的技術總稱，其工藝過程包括：（1）產品三維模型的構建；（2）三維模型的近似處理；（3）三維模型的切片處理；（4）成型加工；（5）成型零件的后處理。該文以車載多功能物品架為載體重點介紹激光選區燒結法（SLS）、熔融沉積法（FDM）成型工藝的應用，實現了車載多功能物品架的快速數字化成型技術[1-2]。

1 三維CAD模型的創建

依據市場需求、功能要求進行結構設計，同時基于個性化需求，運用3D軟件正向或者逆向創建三維模型，經過修改后得到想要打印的產品三維模型。此車載多功能物品架功能定位如下：根據物品的大小來調整架子的大小，前面可以放煙灰，后面可以放水杯、飲料等物品，里面的煙灰缸可單獨使用并可取出清理，煙灰缸、飲料架、手機座功能三合一，材料須使用環保、耐火的塑料[3]。

2 車載多功能物品架的SLS工藝成型

采用激光選區燒結法（SLS）成型制造工藝過程分為前處理、粉層燒結疊加成型以及后處理過程3個階段。

2.1 SLS工藝成型前處理

前處理階段主要完成模型的三維CAD造型，并經STL數據轉換后輸入到粉末激光燒結快速原型系統中。STL文件格式是美國3D SYSTEMS公司提出的三維實體造型系統的一個接口標準，其接口格式規范。

但在格式轉換過程中也要充分考慮零件的結構，設置相關參數才可使打印的零件符合技術要求。應考慮到該件屬薄壁件，在前期造型時加厚該件壁厚，壁厚一定要大于0.3 mm，最好有2 mm厚度，UG造型后輸出成STL文件格式，設成三角公差0.02，相鄰公差0.012 5，輸出類型為二進制。

多功能物品架連接機構，都是薄壁零件，支撐與擺放就要十分合理，多功能物品連接結構面接觸打印底面，較大面積接觸易發生翹曲現象，所以，擺放時盡量斜制擺放，如圖2、圖3所示。

2.2 粉層燒結疊加成型（SLS）過程

前處理工作完成后，將STL文件用華曙排包軟件進行排包處理后進行成型燒結。

首先對成型空間進行預熱。預熱是粉層燒結疊加成型工藝中的一個重要環節，沒有預熱，或者預熱溫度不均勻，將會使成型時間增加，所成型零件的性能低和質量差，零件精度差，或使燒結過程完全不能進行。對粉末材料進行預熱，一般需要預熱到100 ℃左右，這樣可以減小因燒結成型時受熱在工件內部產生內應力，防止其產生翹曲和變形，提高成型精度。在預熱階段，根據原型結構的特點設定建造工藝參數，如，層厚、激光掃描速度和掃描方式、激光功率、燒結間距等。當成形區域的溫度達到預定值時，便可以啟動制作了。

所有疊層自動燒結疊加完畢后，需要將原型在成型缸中緩慢冷卻至40 ℃以下，取出原型并進行后處理。

燒結工藝參數對精度和強度的影響是很大的。如圖4所示的燒結成型過程中，當激光功率、掃描速度和方向及間距、燒結溫度、燒結時間以及層厚度等對層與層之間的粘接、燒結體的收縮變形、翹曲變形甚至開裂都會產生影響，如圖5所示因溫度調整不當造成薄壁較長件產品的翹曲變形[4]。

2.3 SLS成型工藝后處理

燒結完成后，需要將打印的產品靜置一段時間，使得成型的粉末和粘結劑之間通過交聯反應、分子間作用力等作用固化完全。然后用刷子將周圍大部分粉末掃去，剩余較少粉末可通過機械振動、微波振動、不同方向風吹等除去。表面紋理是重中之重，不是所有的打印產品都是最終產品，有的還需要二次處理，如，打磨或拋光等。

3 車載多功能物品架的FDM工藝成型

對于多功能物品架的部分薄壁零件，選擇3D打印成型強度較好的熔融沉積（FDM）成型方式。

3.1 FDM工藝成型前處理

完成模型的三維CAD造型，并經STL數據轉換后輸入到FDM快速原型系統中。

多功能物品架建議分拆打印，然后組裝成型。建議每層打印厚度在0.03 mm最佳，對于薄壁零件避免豎直擺放，影響成型效果，打印填充方式盡量選擇“堅固”方式，才能保證薄壁零件韌性與強度。

打印支撐方式、支撐材料的最小值與零件的質量和移除支撐材料的難易程度之間總會形成一種平衡。零件在打印平臺上的方向，決定使用多少支撐材料和移除支撐材料的難易程度。一般情況下，外部支撐比內部支撐更容易移除，開口向上將比向下節省更多的支撐材料，支撐材料在節耗性、牢固性和易除性上有良好的平衡點，如圖6、 圖7所示。

3.2 熔融沉積成型（FDM）過程

FDM成型工藝的關鍵是保持半流動成型材料的溫度剛好在熔點之上（比熔點高1 ℃左右）。其每一層片的厚度由擠出絲的直徑決定，通常是0.25～0.50 mm。

使用FDM設備在打印產品模型時，有時會出現邊緣翹起的情況，這是由于平臺表面預熱不均造成的。在進行大尺寸模型打印之前，預熱是必不可少的。熔融沉積成型是通過將絲狀材料如熱塑性塑料、蠟或金屬的熔絲從加熱的噴嘴擠出，按照零件每一層的預定軌跡，以固定的速率進行熔體沉積。每完成一層，工作臺下降一個層厚進行迭加沉積新的一層，如此反復最終實現零件的沉積成型。

FDM成型工藝主要考慮以下5個因素的影響：（1）材料性能的影響；（2）噴頭溫度和成型室溫度的影響；（3）填充速度與擠出速度的交互影響；（4）分層厚度的影響；（5）成型時間的影響。

3.3 FDM成型工藝后處理

FDM產品成型后，須將產品原型經過一定的后處理，如，支撐材料的去除、固化、修補、打磨、拋光、上色等強化處理等，才可滿足產品或模型制件的最終要求。

當工件表面有較明顯的小缺陷而需要修補時，可進行小范圍的修補、打磨和拋光來提高成型制件的表面。例如：在成型制件的小缺陷處借助一些小電動工具、砂紙、小型打磨機、拋光，采用乳膠與細粉料調和而成的膩子或熱熔性塑料、濕石膏等材料進行小范圍的填補，再用砂紙打磨與拋光。

4 結論

運用3D軟件正向或者逆向創建車載多功能物品架三維模型，選擇SLS、FDM快速成型方式，在成型設備上完成設計產品的打印以及后處理過程。

（1）基于多功能物品架結構設計選擇合適的快速成型方式，如，SLS、FDM等成型方式，以及前期準備，對于復雜零件分拆打印，合理布局，選擇好合適打印層厚，保證其精度、硬度、韌性符合產品功能。

（2）打印過程中，考慮車載多功能物品架擺放是否有利于拆裝與材料的損耗，打印質量選擇，計算打印成本。

（3）成型后處理，去除粉末或去除支撐材料、打磨、拋光、上色等強化處理等，滿足產品或模型制件的最終要求。

參考文獻

[1] 顏永年.先進制造技術[M].化學工業出版社，2002.

[2] 劉艷申.工藝亭子三維造型與3D打印[J].電子測試，2016（7）：17-19.

[3] 陳嬋娟.基于Unigraphics的車用多功能架快速成型技術研究[J].當代農機，2014（9）：68-69.

[4] 聶建華，李洲祥，林躍華.SLS工藝三維打印用高性能快速成型粉末材料和粘接溶液的研制[J].塑料工業，2014（2）：60-64.