熔融擠出成型（FDM）工藝的臨界支撐角實(shí)驗(yàn)研究①

周倩，張文平，李慶

[摘 要] 基于熔融沉擠出型（FDM）工藝，研究了分層、填充密度、壁厚/底層/頂層厚度對(duì)模型臨界支撐角的影響。通過(guò)合理設(shè)定臨界支撐角的數(shù)值，可以減少支撐，節(jié)省材料，提高打印速度。對(duì)于實(shí)驗(yàn)用PLA材料，打印速度取50mm/s、打印溫度取210℃時(shí)，實(shí)驗(yàn)得到的臨界支撐角最大值為30°，當(dāng)分層厚度0.1mm、填充密度15%、壁厚1.2mm時(shí)，臨界支撐角最小。

[關(guān) 鍵 詞] 熔融沉積成型工藝；工藝參數(shù)；臨界支撐角

[中圖分類(lèi)號(hào)] TP334.8 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼] A [文章編號(hào)] 2096-0603（2018）06-0086-02

3D打印技術(shù)是由產(chǎn)品的三維CAD模型數(shù)據(jù)直接驅(qū)動(dòng)，組裝（堆積）材料單元而制造出任意復(fù)雜且具有使用功能的零件的科學(xué)技術(shù)[1-2]。3D打印技術(shù)涵蓋了眾多工藝，其中，F(xiàn)DM技術(shù)不采用激光器，設(shè)備運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本低，成型材料范圍光，材料成本低。FDM熔融沉積成型3D打印機(jī)在工業(yè)和教育領(lǐng)域得到了廣泛使用，是保有量最多的3D打印設(shè)備。

影響熔融擠出成型（FDM）工藝臨界支撐角的工藝因素很多，包括層厚、壁厚、打印溫度、打印速度等工藝參數(shù)，本文主要研究分層、填充密度、壁厚/底層/頂層厚度的影響。本文設(shè)計(jì)了如圖1所示的模型來(lái)研究不同工藝條件下可以不加支撐的最小角度，相鄰面之間的夾角均為5°。

一、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

（一）實(shí)驗(yàn)材料及設(shè)備

實(shí)驗(yàn)采用的材料及設(shè)備如下：（1）實(shí)驗(yàn)用絲材選用PLA，生產(chǎn)廠家為深圳市佳內(nèi)特?cái)?shù)碼有限公司。（2）FDM桌面3D打印機(jī)型號(hào)：3DP-240，最大成型尺寸240*160*190mm，制造商為西安交通大學(xué)（陜西恒通智能機(jī)器有限公司）。

（二）試樣制備

運(yùn)用正交實(shí)驗(yàn)法，研究分層厚度、填充密度、壁厚等因素對(duì)最小支撐角的影響。根據(jù)各影響因素的常用取值范圍，決定對(duì)每個(gè)影響因素取三個(gè)水平，各影響因素水平的取值如表1所示。按正交實(shí)驗(yàn)表設(shè)計(jì)的要求，共進(jìn)行9次實(shí)驗(yàn)。打印速度為50mm/s、打印溫度為210℃。

二、結(jié)果與討論

（一）實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

每一實(shí)驗(yàn)編號(hào)打印一個(gè)模型，3D打印模型如圖2所示。3號(hào)模型底面有少許翹曲變形，但不影響最小支撐角分析。

（二）臨界支撐角分析

本模型在切片軟件中設(shè)定不加支撐，以研究不同工藝條件下可以不加支撐的最小角度。對(duì)于不同角度的懸空面，隨著角度的增加，存在以下現(xiàn)象：（1）上一層完全支撐不住打印層，絲基本上都掉落，懸空處打印失敗。（2）上一層能基本支撐住打印層，只有極個(gè)別層有掉落現(xiàn)象，隨表面質(zhì)量較差，懸空處基本能打印成功。（3）上一層能完全支撐住打印層，懸空角度對(duì)表面質(zhì)量基本沒(méi)有影響。為了便于統(tǒng)計(jì)和觀察，本文中所列的可不加支撐的臨界角度指的是不存在第一種現(xiàn)象的最小角度。

正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。根據(jù)表中各因素同一水平臨界支撐角的平均數(shù)，選擇平均數(shù)小的水平A1、B2、C2組合成最小支撐角組合A1B2C2，即分層厚度取0.1mm、填充密度15%、壁厚1.2mm。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)定的臨界支撐角度值，分別繪制臨界支撐角隨分層厚度、填充密度、壁厚三個(gè)因素的變化曲線，如圖3所示。

三、小結(jié)

本文基于熔融擠出成型（FDM）工藝，研究了分層、填充密度、壁厚/底層/頂層厚度對(duì)模型臨界支撐角的影響。通過(guò)合理設(shè)定臨界支撐角的數(shù)值，可以有效減少支撐，節(jié)省材料，提高打印速度。對(duì)于實(shí)驗(yàn)用PLA材料，打印速度取50mm/s、打印溫度取210℃時(shí)，臨界支撐角最大值為30°，當(dāng)分層厚度0.1mm、填充密度15%、壁厚1.2mm時(shí)，臨界支撐角最小。實(shí)驗(yàn)值比常用桌面3D打印機(jī)切片軟件（比如CURA等）的默認(rèn)值60°要小的多，說(shuō)明在今后打印參數(shù)設(shè)定中可以適當(dāng)減小臨界支撐角的數(shù)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]盧秉恒，李滌塵.增材制造（3D打印）技術(shù)發(fā)展[J].機(jī)械制造與自動(dòng)化，2013，42（4）：1-4.

[2]高向陽(yáng)，袁曉懿.聚焦新工業(yè)革命與增材制造[J].現(xiàn)代工業(yè)經(jīng)濟(jì)和信息化，2013（13）：8-13.