熔融沉積型3D打印工藝優化研究

摘 要：針對熔融沉積型3D打印時噴嘴容易堵塞、打印件翹曲變形等問題。綜合分析了影響噴嘴堵塞和打印件翹曲變形的要素，經過多組實驗后采用全程加熱打印平臺并維持110。左右，層厚0.3mm，打印速度為″快速″，填充量為″松散″的工藝參數組合。試驗結果表明選擇優質的材料、使用優化后的工藝參數，堵塞和翹曲現象明顯改善。

關鍵詞：熔融沉積；3D打印；堵塞；翹曲；工藝優化

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.09.124

1 引言

熔融沉積型3D打印技術是將絲狀材料加熱到適當的溫度使其熔化，然后通過噴嘴擠出，一個層面沉積完成后，打印平臺按照預定的增量下降一個高度，再繼續熔融沉積，直至完成整個打印件的典型打印技術。

目前，熔融沉積型3D打印技術通常使用ABS、PLA材料。ABS具有較好熱熔性，適合用于擠壓成型。但在加溫擠壓過程中，噴嘴常出現堵塞現象，影響打印速度。由于打印件成型過程時，材料的形態經歷了固體-熔融體-固體三相的變化，從而材料的溫度經歷快速提升到迅速降低兩個階段的變化，溫度的劇變引起材料冷卻時收縮不均勻；打印平臺的溫度與材料熔融體溫度的差異，加快了打印件底層收縮不均勻現象，導致打印件各個部位發生不同程度的翹曲甚至脫離打印平臺，嚴重影響打印效果。因而重點研究噴嘴堵塞、打印件翹曲的影響因素，優化打印工藝參數，進而提高打印質量顯得非常必要。

2 打印缺陷的機理分析

2.1 噴嘴堵塞問題分析和解決方法

現象描述：在打印樣件時，噴嘴不均勻出絲、間斷出絲、甚至不能出絲。如圖1所示。這種發生在噴嘴的缺陷，在使用以ABS、PLA等為原材料的熔融沉積型3D打印過程中尤為明顯，嚴重影響打印進程和質量。

原因分析：①選用的原材料中的雜質熔點高造成噴嘴堵塞；②選用的原材料的大小不規范，不能與噴嘴內徑形成較好的過渡配合；③噴嘴的加熱溫度不穩定；④料盤上的原材料排列紊亂，相互纏繞卡住，影響正常送絲（如圖2所示）；⑤打印機擠壓機構的齒輪松動，不能有效拉動材料。

解決方法：①噴嘴加熱時反向拉出材料，剪斷一小節再將余下的材料通過導喉管插入噴嘴，等材料熔化后拔出，反復操作幾次，直至最終出絲通暢；②取下噴嘴，用酒精燈燒熱噴嘴，再用丙酮溶液清洗雜質；③選擇粗細均勻、表面光澤度均勻、無雜質的原材料，用游標卡尺檢測篩選；④UP！軟件上選擇正確的材料，一定要區分ABS和PLA。

2.2 打印件翹曲變形缺陷

現象描述：翹曲變形是熔融沉積型3D打印技術最常見的缺陷。在打印過程中，打印件的底部四周發生微量翹曲，隨著打印時間的變化，翹曲變形逐步加劇，直至完全脫離打印平臺，而狹長形打印件的翹曲變形最為明顯。如圖3所示。

影響因素分析：大量打印實例表明，原材料的特性、打印速度、噴嘴溫度、填充率、分層厚度、打印平臺溫度、樣件的形狀大小等因素都會引起打印件翹曲變形。

打印速度對翹曲量的影響：UP！軟件上能選擇″普通″、″快速″、″精細″等三種的打印速度。在″普通″和″精細″的打印速度下，翹曲變形量較大。速度越慢，打印時間變長，打印件與打印平臺的接觸溫度變異加劇，容易發生翹曲。速度越快，材料凝固不充分， 冷卻時附加應力增加， 不利于均勻變形， 翹曲量較大。″快速″是較好的打印速度選擇。

分層厚度對翹曲量的影響：UP！軟件上能選擇0.2mm、0.25 mm、0.3 mm、0.35 mm等四種分層厚度。當分層厚度由0.2mm逐步升高到0.35mm， 打印件的表面質量和精度逐步降低。這是因為分層厚度升高增加了打印時新增層冷卻時間， 新增層底部與頂部間的溫差， 使得層間溫度分布不均勻， 收縮不均勻增加， 冷凝內應力增加， 不利于降低樣件翹曲變形量。

填充率對翹曲量的影響：UP！軟件上能選擇″堅固″、″松散″、

″中空″、″大孔″等四種填充率。填充率″大孔″時， 內部支撐較弱， 使得外部絲材冷卻收縮時受內部限制的作用較小， 由于冷卻不均勻導致的變形較大，翹曲變形增大。填充率達到″松散″時，繼續增大填充率達到″堅固″時雖然可以使得樣件尺寸穩定性增加， 缺耗時耗材。

打印平臺溫度的控制對翹曲量的影響：UP！軟件上可設定″打印前期預熱″、″全程不加熱″、″全程加熱″三種的打印平臺溫度控制方式。在打印時″全程不加熱″的情況下，打印件翹曲量最大；前期預熱的情況下，樣品翹曲量較小；全程加熱并保持110度左右，樣件翹曲量最小。這是因為印平臺適當的溫度可以保證在打印成型過程中ABS材料整體散熱緩慢均勻。

優化方案：基于以上分析，可以從以下幾個方面著手降低打印樣件的翹曲變形量。①關閉噴嘴附近的風扇和機箱箱門；②在性能滿足需求情況下，盡量避免打印薄壁、尺寸過大的打印件；③工藝參數設定″快速″、0.3mm、″松散″、″打印平臺全程加熱且溫度需控制在110℃左右″。

3 打印試驗與驗證

3.1 設備與材料

打印設備采用北京太爾時代科技公司的桌面級3D打印機UP mini及UP！切片軟件，材料為直徑為1.75mm 的ABS。

3.2 打印件尺寸

為了便于分析打印件的翹曲變形量。設計底面為100mm×20mm的薄壁件作為打印件進行試驗。打印件模型圖如圖4所示。

3.3 制定試驗方案

選取影響打印件質量的主要因素：打印速度、分層厚度、填充率、打印平臺溫度為研究對象。設計試驗方案，試驗參數如表1所示。

3.4 試驗結果

與優化前參數相比，采用優化后的參數，打印過程噴嘴堵塞現象不明顯、打印件翹曲變形量不明顯。優化前后打印樣件如圖5所示。

4 結束語

通過改善打印環境，選擇合格的原材料，采用優化后的工藝參數組合。噴嘴堵塞、翹曲變形現象得到有效緩解，為提高熔融沉積型3D打印質量提供新的思路。

參考文獻：

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作者簡介：馮銳（1989-），男，四川廣安人，本科，助教，從事機電一體化技術教學與研究。