大尺寸FDM模具防變形翹曲打印參數(shù)研究

郭永賢，孟慶文

（寧夏共享模具有限公司，寧夏銀川 750021）

大尺寸FDM模具防變形翹曲打印參數(shù)研究

郭永賢，孟慶文

（寧夏共享模具有限公司，寧夏銀川 750021）

在用FDM工藝打印模具過程中，其工藝是將材料熔融擠出堆積，粘結(jié)層與層之間存在在溫度梯度，每層的收縮率不一致，容易造成模具翹曲變形、開裂。本文研究打印溫度、內(nèi)部網(wǎng)格填充、參數(shù)對模具翹曲變形和開裂的影響。

FDM模具；開裂；翹曲變形

傳統(tǒng)鑄造業(yè)制作模具主要用的材料有金屬模和木模。金屬模尺寸穩(wěn)定、表面品質(zhì)高，但其制作成本昂貴、周期長。對于生產(chǎn)小批量的鑄件，從成本上考慮不劃算。所以一般鑄造行業(yè)多數(shù)都用木料制作模具，其優(yōu)點是制作周期短、價格便宜、維修方便，但其缺點是精度差、壽命短、表面容易損壞。另外，木材的過多使用會破壞可再生資源，不符合綠色制造的理念，木模被替代已經(jīng)是一種發(fā)展趨勢。隨著FDM 3D打印技術(shù)的日漸成熟，用戶可以自己設(shè)計自己生產(chǎn)，但由于其打印效率低、打印尺寸小，制作費用高，僅局限于制作玩具工藝品。隨著大型FDM 3D技術(shù)的問世，打印用于鑄造行業(yè)已經(jīng)成為一種發(fā)展趨勢，其優(yōu)點是制作周期短、表面品質(zhì)高、精度高、材料可回收循環(huán)使用，符合中國制造2025的理念。本文主要研究大尺寸FDM模具防變形翹曲打印參數(shù)，旨在提高模具打印品質(zhì)，為以后模具產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用打基礎(chǔ)。

1 參數(shù)試驗階段

1.1 試驗打印溫度對模具翹曲變形的影響

1.1.1 試驗原料

試驗使用的材料是顆粒狀改性的PLA材料，其材料性能如表1所示。

表1 PLA試驗材料的性能

1.1.2 參數(shù)設(shè)置

根據(jù)FDM打印的特點，模具結(jié)構(gòu)分為四個部分，底層、內(nèi)部網(wǎng)格填充、輪廓邊墻和頂層，如圖1所示。

薄壁件的模具容易變形，因此設(shè)計300 mm×300 mm×50 mm的薄壁件作為樣品進行試驗，如圖2所示。打印6個樣塊，每個樣塊的打印溫度以5 ℃遞增，樣塊打印參數(shù)如表2。

1.1.3 結(jié)果分析

通過測量得出，在一定打印溫度范圍內(nèi)，打印溫度越高模具翹曲變形越大，如圖3所示為打印溫度與翹曲變形關(guān)系的曲線圖。原因是FDM打印原理是逐層遞增打印，當(dāng)打印第二層的時候，第一層已經(jīng)冷卻，層與層粘接過程中會產(chǎn)生溫度差，溫度越高溫度差越大，模具在冷卻凝固時收縮比較大，造成翹曲嚴(yán)重。因此打印過程中盡量減小層與層之間的溫度差是解決模具翹曲變形的關(guān)鍵。

圖1 模具內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 打印模具尺寸

表2 試驗樣品打印參數(shù)

打印過程中工作臺持續(xù)加熱，保證工作臺溫度接近于材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，從而減小打印層之間的溫度梯度[1]。在模具打印過程中適當(dāng)?shù)奶岣攮h(huán)境溫度，減少模具層與層之間的溫度梯度，減緩模具與外界的溫度交換速度。完成模具的“時效”處理，使內(nèi)部應(yīng)力緩慢釋放。但是溫度一定要根據(jù)模具的尺寸和結(jié)構(gòu)來定義，過高會導(dǎo)致模具出現(xiàn)塌陷[1]。

圖3 打印溫度與翹曲變形的曲線圖

1.2 試驗不同網(wǎng)格填充參數(shù)對模具翹曲的影響

1.2.1 參數(shù)設(shè)置

FDM模具在打印參數(shù)設(shè)計中，模具內(nèi)部采用網(wǎng)格填充，主要是為了提高打印效率，降低成本。為了驗證不同填充對變形的影響，打印6個樣塊，內(nèi)部網(wǎng)格間距逐漸增大，如表3所示。

表3 試驗樣品打印參數(shù)

1.2.2 結(jié)果分析

通過對不同的間距網(wǎng)格填充進行實驗測量，內(nèi)部網(wǎng)格填充的越大對模具的翹曲變形越小，如圖4所示。原因是網(wǎng)格間距越大，材料散熱比較快，與底層材料的溫差比較小，有效的防止模具的翹曲變形；另外一方面，間距大材料用料比較少，模具的應(yīng)力較小，在應(yīng)力釋放的過程中對模具的變形量也會越小[2]。但是網(wǎng)格間距越大，模具強度也會受到影響，因此在工業(yè)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用中需要多方面考慮，選擇最優(yōu)的參數(shù)。

2 生產(chǎn)驗證

通過上述試驗，需要打印更大尺寸的模具進行實際驗證，選擇1 800×800×600(mm)尺寸的模具，如圖5所示，打印參數(shù)如表4所示。

圖4 網(wǎng)格線條間距與最大翹曲變形曲線圖

圖5 用于試驗驗證的大尺寸模具

表4 大尺寸模具的打印參數(shù)

按照上述參數(shù)打印，模具在打印過程中最大翹曲變形在0.5 mm以內(nèi)，能達到模具的品質(zhì)要求。

3 結(jié)語

(1)打印溫度對模具的變形翹曲影響很大，溫度越高變模具變形翹曲越大，并且超過熔點溫度越高，材料的性能就會發(fā)生改變，影響模具的粘接強度

(2)內(nèi)部網(wǎng)格填充對模具的影響也比較大，網(wǎng)格間距越大，模具的變形量越小，而且從成本比較低，打印效率也會提高。但是會影響模具的強度，因此需要從各個方面考慮模具的打印工藝參數(shù)。

(3)模具的的翹曲變形還與很多因素有關(guān)，比如工作臺溫度、環(huán)境溫度、打印速度都能夠影響模具的翹曲變形，后續(xù)會持續(xù)研究其他方面的影響，為產(chǎn)業(yè)化做好準(zhǔn)備。

[1] 李曉燕.3D成型技術(shù)的機理研究及過程優(yōu)化[D].上海:同濟大學(xué)，2006.

[2] 李藝，曹東偉. 基于熔融沉淀快速成型原理的三維打印關(guān)鍵技術(shù)研究[D]．蘇州：蘇州大學(xué)，2012.

[3] 李艷霞，郭曉明，郭川斌，等．浮空器囊體材料用PUR．T／PA6／PUR—T復(fù)合膜的研制[J]．工程塑料應(yīng)用，2006，34(3)：42-44．

Research on FDM model for deformation and warpage printing parameters

GUO YongXian, MENG QingWen
（KOCEL Pattern Co., Ltd.,Yinchuan 750021,Ningxia,China）

In the process of printing models with FDM process, there is temperature gradient between layers. Give rise to warpage and cracking of the model. This paper study the infl uence of printing temperature and internal grid fi lling on the warpage and cracking of the FDM mold.

FDM mold；cracking；warping

TG241.9；

A；

1006-9658（2017）04-0032-03

10.3969/j.issn.1006-9658.2017.04.009

2016-12-16

稿件編號:1612-1612

郭永賢（1987—），男，助理工程師，現(xiàn)從事鑄造工藝設(shè)計工作.