工藝參數(shù)對(duì)FDM成型方法圓筒制件的精度影響

馮 婧 李真真

熔融沉積快速成型（Fused Deposition Modeling，F(xiàn)DM）是一種3D打印技術(shù)，是利用電加法等熱源熔化絲狀材料，由三軸控制系統(tǒng)移動(dòng)熔絲材料，堆積成型三維實(shí)體[1-2]。在當(dāng)前的熔融沉積成型工藝中，如何使成型零件具有良好精度是亟待解決的問(wèn)題，目前研究者主要改進(jìn)現(xiàn)有熔融沉積成型設(shè)備，或者優(yōu)化配置熔融沉積成型的工藝參數(shù)，以使成型零件獲得較好的精度和物理機(jī)械性能[3]。本文主要通過(guò)分析熔融沉積成型過(guò)程中的影響因素，研究主要成型工藝參數(shù)對(duì)圓筒制件精度的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與材料

FDM工藝選用設(shè)備為天威CoLiDo 2.0桌面3D打印機(jī)，這種快速成型機(jī)簡(jiǎn)單易用，將設(shè)計(jì)的文件通過(guò)REPETIERHOST軟件轉(zhuǎn)換為CoLiDo指令，并通過(guò)SD卡或USB數(shù)據(jù)線發(fā)送到CoLiDo，然后CoLiDo加熱PRINT-RITE PLA/ABS細(xì)絲，并從噴嘴擠出以逐層制作三維固態(tài)物體，其加工范圍為 225mm×145mm×150mm。

打印材料采用直徑為1.75mm的ABS絲材，生產(chǎn)廠家為深圳市極光爾沃科技有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

本文采用三維建模軟件設(shè)計(jì)外徑為Φ15mm、厚度為2mm、高度為20mm的圓筒模型，為測(cè)試分層厚度、填充密度、填充速度以及擠出頭溫度單個(gè)因素對(duì)FDM工藝的影響，分別進(jìn)行4組實(shí)驗(yàn)，工藝設(shè)計(jì)見表1，其他FDM工藝參數(shù)設(shè)置見表2。

表1 FDM實(shí)驗(yàn)工藝

表2 FDM工藝其他參數(shù)設(shè)置

1.3 測(cè)量方法

用游標(biāo)卡尺（0.02mm）測(cè)定圓筒制件的壁厚，在每個(gè)制件上測(cè)5點(diǎn)，取5點(diǎn)壁厚的平均值，通過(guò)和設(shè)計(jì)值比較，計(jì)算壁厚誤差。

采用JB-6C觸針式表面粗糙度測(cè)量?jī)x（截止波長(zhǎng)0.8mm）測(cè)定圓筒制件的表面粗糙度Ra值。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 分層厚度的影響

分層厚度是將圓筒制件模型進(jìn)行切片時(shí)層與層之間的高度，也是利用擠出頭擠出的絲材堆積實(shí)體時(shí)每層的厚度。圖1為當(dāng)其他工藝參數(shù)均為定值時(shí)，分層厚度對(duì)圓筒制件的壁厚誤差和表面粗糙度Ra的影響曲線。隨著分層厚度的增加，壁厚誤差和表面粗糙度Ra值都呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，這是由于FDM成型方法的原理是分層累積制造，在進(jìn)行打印之前，需要將通過(guò)三維軟件設(shè)計(jì)的實(shí)體模型轉(zhuǎn)化成STL格式，此種轉(zhuǎn)化是采用近似逼近的方法，用大量細(xì)小的三角面片來(lái)近似代替CAD模型的表面，將三維模型轉(zhuǎn)化成STL文件后，還需要進(jìn)行分層切片處理，經(jīng)過(guò)分層處理，層與層之間有一定的厚度，即分層厚度，分層打斷了模型的連續(xù)性，造成數(shù)據(jù)丟失，從而在成型零件表面和設(shè)計(jì)模型表面之間產(chǎn)生階梯誤差。

圖1 分層厚度的影響

2.2 填充密度的影響

FDM成型方法打印的模型并不是實(shí)心的，而是通過(guò)不同的填充方式，采用材料堆積的方式來(lái)填充實(shí)體區(qū)域內(nèi)部，填充密度即線材堆積的體積占制件總體積的體積分?jǐn)?shù)。圖2為填充密度在20%～80%，壁厚誤差和表面粗糙度Ra的變化曲線。

本文采用的填充方式為直線填充，根據(jù)直線填充的掃描方式，當(dāng)填充密度小時(shí)，網(wǎng)線之間的間距會(huì)很大，加上材料收縮，可能會(huì)造成圓筒制件微觀表面凹凸不平，從而使得壁厚誤差和表面粗糙度誤差很大，由圖2可知，當(dāng)填充密度在50%時(shí)，壁厚誤差和表面粗糙度誤差都達(dá)到最小值，隨著填充密度的進(jìn)一步增大，由于網(wǎng)線之間的間距減小，可能會(huì)導(dǎo)致絲材在制件邊界處過(guò)堆積，從而使圓筒制件表面精度降低。

圖2 填充密度的影響

2.3 填充速度的影響

FDM成型主要有擠出速度和填充速度兩種，擠出速度是指噴絲在送絲機(jī)構(gòu)的作用下，從擠出頭內(nèi)擠出熔融態(tài)絲時(shí)的速度，填充速度則是指擠出頭在運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的作用下，掃描輪廓路徑和填充路徑時(shí)的速度，擠出速度和填充速度是相互耦合的，要合理匹配后才能使打印圓筒制件達(dá)到良好的表面質(zhì)量效果。

圖3為填充速度（這里讓掃描輪廓路徑速度和掃描填充路徑速度相等）對(duì)圓筒制件的精度影響曲線。隨著填充速度的增加，壁厚誤差和表面粗糙度Ra值都呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，填充速度在35～40mm/s表面精度值最小。當(dāng)固定擠出速度，填充速度太小時(shí)，即填充速度明顯小于擠出速度，容易在制件邊緣產(chǎn)生堆積現(xiàn)象，使成型面材料分布不均，從而使制件壁厚誤差和表面粗糙度Ra值較大；當(dāng)增大填充速度，即當(dāng)填充速度明顯大于擠出速度時(shí)，擠出的絲材在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中容易填充不足，出現(xiàn)斷絲現(xiàn)象，不能形成完整的絲，使制件表面出現(xiàn)空缺，從而也使壁厚誤差和表面粗糙度增大。

圖3 填充速度的影響

2.4 擠出頭溫度的影響

FDM成型過(guò)程中溫度的控制主要有擠出頭溫度、熱床溫度和環(huán)境溫度。擠出頭溫度是指系統(tǒng)工作時(shí)將噴嘴加熱到的一定溫度，熱床溫度是指系統(tǒng)工作時(shí)將玻璃板加熱到的一定溫度。溫度變化對(duì)ABS絲材的性能有很大的影響，尤其是擠出頭溫度，要使絲材保持在合理的粘性系數(shù)范圍內(nèi)，從粘流態(tài)冷卻到玻璃態(tài)，才不至于因?yàn)闇囟忍咴斐煞肿悠屏褟亩绊憟A筒制件的精度，或因?yàn)闇囟忍褪菇z材粘結(jié)不牢造成開裂。從圖4可以看出，當(dāng)溫度變化區(qū)間為215～245℃時(shí)，圓筒制件的壁厚誤差和表面粗糙度Ra值隨擠出頭溫度的上升，大致都呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，在溫度為240℃時(shí)達(dá)到最大值。

圖4 擠出頭溫度的影響

3 結(jié)論

通過(guò)以上研究，可以得出以下幾點(diǎn)結(jié)論。

（1）壁厚誤差和表面粗糙度Ra值隨著分層厚度的增大而增大。

（2）隨著填充密度的增加，壁厚誤差和表面粗糙度Ra值都呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，且在填充密度為50%時(shí)達(dá)到最小值。

（3）隨著填充速度的增加，壁厚誤差和表面粗糙度Ra值都呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，且填充速度在35～40mm/s誤差值和表面粗糙度值較小。

（4）溫度對(duì)壁厚誤差和表面粗糙度Ra的影響，都呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，在240℃時(shí)達(dá)到最大值。

[1]楊永強(qiáng)，葉梓恒，王迪，等.3D打印設(shè)備國(guó)內(nèi)產(chǎn)業(yè)化可行性分析[J].新材料產(chǎn)業(yè)，2013，（8）：13-20.

[2]陳葆娟.熔融沉積快速成形精度及工藝實(shí)驗(yàn)研究[D].大連：大連理工大學(xué)，2012：12.

[3]李生鵬.熔融沉積成型零件精度及機(jī)械性能研究[D].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，2015：4.