基于熔融沉積3D打印翹曲變形的工藝參數優化

嚴小軍，張　路，董蓉樺，羅凱元，唐照芳

(北京航天控制儀器研究所，北京 100039)

0　引言

熔融沉積制造(Fused Deposition Modeling，FDM)是應用較成熟的一種非金屬增材制造技術，它采用熱塑性材料，成形過程中材料在打印頭中加熱擠出，噴頭沿填充軌跡運動的同時將熔化的材料擠出，材料離開噴嘴后迅速降溫凝固，并與周圍的材料凝結在一起形成三維實體零件[1-2]。

與傳統的加工制作方法相比，熔融沉積技術在制作成本、效率、通用性和柔性等方面有很大的優勢，因此廣泛應用于產品的模樣階段，實現快速原型制造，也可作為最終產品的非承力構件使用。但在大尺寸零件的成形過程中，零件翹曲變形導致精度的喪失仍是熔融沉積增材制造技術面臨的一個最為突出的問題[3-4]。

本文首先針對熔融沉積過程的翹曲變形優化方法進行了分析，隨后以成形工藝參數為研究對象，通過正交試驗研究各因素的影響規律，得到優化的工藝參數，達到了抑制翹曲變形的目的。

1　熔融沉積過程的翹曲變形優化方法分析

非金屬材料零件熔融沉積3D打印過程中，材料第一層首先被熔融-擠壓-冷卻固結在成型基板上，如圖1所示，成型過程中所受力分別為F收縮和F粘結。其中，收縮力F收縮是材料收縮帶來的，粘結力F粘結是基板上第一層材料成型固結后對零件的粘結力。成型過程中，當收縮力大于粘結力時，會發生翹曲，如圖1(b)所示[5]。

抑制打印過程的翹曲變形問題主要通過兩個方面：1)提高基板對于零件的結合力；2)降低材料在打印過程中的收縮量。而提高基板對于零件的結合力，可通過設備廠家建議的基板上涂覆水溶性固體膠、調節噴頭初始打印高度、成型過程前的基板溫度預加熱等方式實現。本文主要探討通過工藝參數的優化來減小打印過程中材料的收縮趨勢，從而抑制翹曲變形的產生[6]。

2　翹曲變形評價及工藝試驗設計

試驗采用一種通過圖像識別獲取特定層變形量的翹曲變形的評價方法，主要分為圖像獲取和圖像處理兩個步驟。圖像獲取方面，設計了薄壁試驗件，如圖2所示。試驗件的厚度為0.8mm，打印過程中通過雙噴頭或打印暫停換絲的方式，實現黑色/白色的混色打印，黑白交替部分即為待評價變形量的特定層。將零件放置24h后，放入平板掃描儀進行掃描(掃描精度優于1200dpi)，提取掃描后的圖片。圖像處理方面，采用Opencv軟件讀取掃描后的圖片，進行去噪聲、閾值分割等預處理，隨后進行邊緣檢測并提取黑白交替部分的輪廓點集，通過對輪廓點和端點分別進行拋物線擬合和直線擬合，即可計算獲得翹曲量的大小。

圖3為翹曲試樣的測量示意圖，零件中間紅色實線為翹曲后的邊界拋物線，黑色虛線為不翹曲時的理論邊界線，通過測量拋物線距離理論邊界線的距離f來表征翹曲量的大小。翹曲變形參數優化試驗的設計，采用Raise品牌的3D打印機，如圖4所示。選擇收縮率較大的ABS材料，試驗時，基板預熱溫度為100℃，采用固體膠將零件底部粘附于基板表面，通過薄壁結構自身的變形量來表征翹曲程度。設計3因素3水平正交試驗，研究噴頭溫度、掃描速度、切片厚度3個參數對翹曲量的影響規律，如表1所示。

水平1水平2水平3噴頭溫度/℃220230240掃描速度/ mm/s 253545切片厚度/mm0.10.150.25

3　試驗結果與分析

圖5為平面掃描后的翹曲試樣的變形圖片。表2為獲取的翹曲量的正交試驗表格，采用極差分析法進行分析，并分別對噴頭溫度、掃描速度、切片厚度3個參數對于翹曲變形量的影響規律進行分析討論。

試驗序號噴頭溫度/℃掃描速度/ mm/s 切片厚度/mm翹曲量/mm1220250.10.04182220350.150.06713220450.250.15014230250.150.13755230350.250.22846230450.10.40677240250.250.32798240350.10.29859240450.150.2455

3.1　工藝參數對翹曲的影響規律

1)噴頭溫度的影響。通過正交試驗分析，圖6為各工藝參數指標對翹曲變形量的影響規律圖。分析噴頭溫度對翹曲量的影響，隨著噴頭溫度的升高，翹曲量增加。這是因為打印過程中，絲材從噴頭溫度冷卻到玻璃化溫度并繼續冷卻到室溫的過程中，產生的線收縮量與溫度差正相關，因此溫度差越大，產生翹曲量越大。而當噴頭溫度繼續升高，翹曲量增加的幅度有所減小，分析認為增加的溫度區間處于絲材處于熔融態，該階段絲材收縮應力會部分轉變為絲材本身的形態變化，因此溫度的升高并不會引起翹曲量的線性增加[7-8]。

2)掃描速度的影響。隨著掃描速度的增加，翹曲量逐漸增加。實驗中，由于噴頭擠出速率保持不變，因此隨著掃描速度變慢，每一層堆積的材料量會相應增加，而掃描長度可視為保持不變，掃描線寬增加，抵抗各方向變形能力增強，整體收縮量會減小。

3)切片厚度的影響。當切片厚度為0.15mm時，得到最優的翹曲變形量。由于噴頭擠出速率保持不變，因此隨著切片厚度變小，每一層堆積的材料量不變，線寬增加，整體的收縮量應呈現為減小的趨勢；但切片厚度進一步減小，成形絲材厚度方向被嚴重擠壓，使得在溫度收縮的基礎上加入了擠壓收縮，收縮量反而增大。因此，切片厚度對翹曲變形的影響存在一個理論上的最優值。

3.2　優化的成形工藝參數

為減小翹曲變形，應盡量選擇較低的噴頭加熱溫度和掃描速度。噴頭溫度方面，考慮絲材的擠出流動性(推薦打印220℃～250℃)，確定最優的打印溫度為220℃。掃描速度方面，考慮抑制翹曲變形的產生，應選擇較低的掃描速度；但考慮到提高打印效率，確定優化的掃描速度為35mm/s，切片分層厚度確定為0.15mm。

采用優化后的成形參數，并考慮零件擺放及支撐添加策略，完成了某無人機外殼零件的成形，最大直徑尺寸為296mm，成形過程中未發生翹曲變形等問題，如圖7所示。

4　結論

本文通過設計翹曲變形的正交參數優化試驗，研究了噴頭溫度、掃描速度、分層厚度等工藝因素對翹曲變形的影響規律，得到優化的工藝參數，達到了提高抑制翹曲變形的目的。

1)翹曲變形是影響熔融沉積3D打印質量的重要因素，通過正交優化試驗的方法獲得了不同工藝參數下零件的翹曲量，優化后的工藝參數噴頭溫度為220℃，掃描速度為35mm/s，切片厚度為0.15mm。

2)根據試驗結果，分析了各參數對熔融沉積過程中翹曲變形的影響規律，并給出了減小翹曲變形的措施。

3)驗證了一種通過圖像識別獲取特定層變形量的翹曲變形評價方法，該方法也可用于不同材料的收縮率評價。

[1]袁媛, 張路, 唐照芳, 等. 淺議精密慣性產品制造中的增材制造[J].導航與控制, 2016, 15(5):17-24.

YUAN Yuan, ZHANG Lu, TANG Zhao-fang, et al. Research on additive manufacturing and precision inertial devices manufacturing[J].Navigation and Control, 2016, 15(5):17-24.

[2]Gibson I, Rosen D W, Stucker B. Additive manufacturing technologies[M]. New York: Springer Science and Business Media, 2009.

[3]許開國,張錦光,胡業發.熔融擠壓快速成型中支撐工藝的研究[J].機械科學與技術, 2008,27(9):1163-1166.

XU Kai-guo, ZHANG Jin-guang, HU Ye-fa. A study of the support technology in fused deposition modeling[J].Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2008,27(9): 1163-1166.

[4]洪軍, 唐一平, 武殿梁, 等. 快速成型中零件水平下表面支撐設計規則的研究[J].西安交通大學學報,2004,38(3):234-238.

HONG Jun, TANG Yi-ping, WU Dian-liang, et al. Support design rules for part’s horizontal undersurface in stereolithography[J].Journal of Xi’an Jiaotong University,2004,38(3):234-238.

[5]Jacobs P F. Fundmentals of stereolithography[R].California: Society of Manufacturing Engineers, 2006.

[6]陳葆娟,梁延德,何福本.熔融沉積成形試件翹曲成因的分析與優化[J].電加工與模具,2012(4):33-36.

CHEN Bao-juan, LIANG Yan-de, HE Fu-ben. Factor an-alysis and optimization of warpage deformation in FDM[J]. Electromachining &Mould, 2012(4):33-36.

[7]趙萬華, 李滌塵, 盧秉恒. 光固化快速成型中零件變形機理的研究[J].西安交通大學學報, 2001,35(7):705-708.

ZHAO Wan-hua, LI Di-chen, LU Bing-heng. Investigation of the part deformation in stereolithography[J]. Journal of Xi’an Jiaotong University,2001,35(7):705-708.

[8]桑鵬飛,劉凱,王揚威.熔融沉積成型中的原型翹曲變形分析[J].機械設計與研究, 2015,31(3):118-120.

SANG Peng-fei, LIU Kai, WANG Yang-wei.Amodel research for prototype warp deformation in the FDM process[J]. Machine Design & Research, 2015, 31(3):118-120.