3D打印模具常見問題的解決方法

郝 鵬

（寧夏共享模具有限公司，寧夏銀川 751200）

FDM 是“Fused Deposition Modeling”的簡寫形式，即為熔融沉積成型，屬于3D打印技術的一種。通俗來講就是利用高溫將各種絲材或顆粒加熱融化，通過打印頭擠出后固化，最后在立體空間上排列形成立體實物的過程。FDM技術常用于新型高效環保模具的制作。通過FDM技術打印模具毛坯，通過加工、組裝的方式制作模具。利用3D打印成型的特點，可生產結構復雜的模具，具有強度高、表面質量好、壽命長的特點。并且使用的新型PLA（聚乳酸）材料使生產的模具可回收，實現重復利用。使用3D方式生產模具使得模具制作環境變的干凈、整潔、環保，完全顛覆了傳統臟、亂、差的模具制造模式。但是打印毛坯過程存在諸多問題，本文就關鍵問題提出解決方案，提升整體打印質量和效率。使用3D成型技術制作FDM模具屬于業內首創，2016年進行了此項技術的研發，要實現產業化需要解決一系列的技術難題。通過近兩年的研究將打印工藝和工藝參數進行不斷優化，最終實現產業化應用。下面將重點和難點問題進行逐一闡述。

圖1 孔洞、漏料問題

1 漏料、孔洞問題

材料在重力及慣性的作用下，發生漏料現象。孔洞問題是由于流涕導致，流下來的料搭在產品上，下一層打印時受到影響而不能100%接觸，形成孔洞。

通過對打印過程的跟蹤和分析找出減小漏料的五個方法：

（1）增加回抽（減小空腔，但回抽對設備傷害大）。

（2）增加后處理程序，在終點前預先停止擠出，軟件插件實現。

（3）優化切片軟件，盡可能一條線打印一個面，減少抬刀和空行程。

（4）打印頭控制裝置（壓力擠出裝置）。

（5）擠出頭結構優化設計，減小流涕現象，使用4mm擠出頭（直通加長、拐彎兩種）。

通過設備實際驗證，以上措施均可有效解決漏料和空洞問題。

圖2 打印不閉合缺陷

圖3 拐角材料堆積問題

圖4 改善前打印產品

圖5 改善后打印產品

2 局部不填充

局部不填充會嚴重影響產品的強度，在未填充部位容易出現斷裂等情況。經深入分析與試驗，確定局部不填充主要是成型工藝特性（局限性）引起的。槽寬小于兩條線寬，出現走刀路徑無法規劃而導致不填充的現象發生。通過多次實驗發現打印壁厚為偶數倍的線寬時此問題可以得到很好的解決。當壁厚小于線寬的偶數倍時會出現嚴重的堆積現象。綜上在產品打印工藝設計上需要進行合理的規劃，避免此類問題發生。

為了驗證以上結論將打印產品調整實驗方案：測試一圈、兩圈、三圈打印筋板厚度、最小可填充厚度以及最佳參數。

3 拐角處材料堆積問題

拐角處材料堆積主要為打印到拐點處機床的運動軸（X、Y軸）會進行加減速，但是擠出軸未調整合適的擠出量造成材料堆積，通過長期的研究解決措施如下：

（1）填充時擠壓造成。可減小OFFSET值，防止內填充擠壓輪廓。

（2）起始點造成。軟件增加起始點位置設置功能。

（3）輪廓打印速度太快。軟件設置減小輪廓打印速度。

（4）拐角處加減速造成。軟件增加慣性補償功能插件，預先停止擠出。

4 翹邊問題

翹邊是在3D打印過程中普遍發生的問題，這是由于打印材料熱脹冷縮的原理，使得模型和打印平臺接觸的底面邊緣更容易翹起，甚至出現脫離平臺的情況，輕者影響打印效果，造成模型底部變形，重者會導致打印失敗。解決翹邊問題的方案如下：

（1）加熱平臺：避免翹邊的最佳方法是加熱平臺。將材料保持在一定的溫度，確保材料打印時保持平坦并和平臺貼附良好。但是要注意的是，合適的平臺溫度非常重要，不同的材料對應的平臺溫度也不一樣。

（2）保持平臺的平整性：在打印過程中，如果噴嘴和平臺距離過大，則材料容易松脫，造成翹邊現象。當使用3D打印機打印第一層出現問題的時候，建議重新調整平臺，保持平臺的平整性。調平對于打印來說非常重要。

（3）使用粘合劑：為了確保打印件和平臺粘合牢固，首先平臺應該光滑潔凈，不能有油漬或者雜質在平臺上。如果使用的是玻璃平臺，可以使用粘合劑均勻涂抹，可以增加模型和平臺的貼合程度。

（4）切片時使用brim（裙邊）：在常用切片軟件cura的內置功能中，有一個功能叫brim（裙邊）。這是一個非常有效的防止翹邊的切片功能。該功能會在打印的模型周圍放置一層由單層層厚的平坦區域，在打印冷卻過程中抵抗材料熱脹冷縮帶來的拉力。并且由于只有單層層厚，所以后期很容易拆除，是一個非常不錯的解決方案。切片時使用raft（筏）：對于一些特殊的材料或模型，加裙邊可能還不足以完全防止翹邊。這種情況下，可以使用切片軟件cura中的raft（筏）。這個功能會在模型和平臺之間增加一層網格層，保證受熱均勻。在模型底部平坦度不夠時，或者使用特殊耗材打印時，有很好的防止翹邊的作用。

（5）調整初始打印層的設置：影響附著力的兩個重要設置（與第一層相關）是初始層高和初始層速度。在大多數情況下，較厚的初始層使得粘合更容易，在平臺校準誤差不大的情況下，不要將初始層速度設置得太高，因為材料可能會附著在噴嘴上并被它拖拽，而不是保持粘附固定在平臺上。

圖6 改善前打印產品

圖7 改善后打印產品

圖8 改善前后打印參數及效率對比

（6）注意冷卻：冷卻問題也是翹邊的主要原因之一。材料在冷卻時收縮，將會可能導致和上一層拉開。所以在打印下一層時，需要對材料進行適當冷卻，避免過度冷卻以確保平滑無翹邊的打印。

5 產品太重操作困難

5.1 網格結構減重打印方案研究

圖9 方案設計

圖10 打印過程

圖11 實際打印效果圖

圖12 方案設計

正常打印為了保證上層封面不塌陷一般將內部填充網格劃分是在10mm～30mm左右，為有效減輕重量可以將內部填充網格加大到100mm～200mm用來保證模具強度，在上層封面前增加一塊蓋板，保證封面不塌陷。經驗證減少網格支撐，節約成本30%～50%；支撐蓋板使用同種材料，回收無阻礙。

5.2 三角空腔減重打印方案研究

正常打印內部均為網格填充模式，為了減輕重量，將打印模型底部設計成多個10°～45°斜面的三角空腔。這樣將不需要打印支撐，此方案可以有效減輕模具重量。經過試驗驗證減少網格支撐，節約材料成本20%左右。通過以上兩種打印結構研發，解決了打印大型產品時模具結構的問題，大幅度降低了模具重量從而降低了模具成本。

圖13 打印過程

圖14 成型產品

6 結語

本文將FDM打印模具應用中的常見問題進行了歸納總結，提出了相應的解決措施。在原材料使用、打印效率、模具結構、模具成本、模具質量、市場開發等方面做出了改進，充分利用FDM打印的優勢，使FDM模具具有市場競爭力，并得到廣泛應用，已真正實現產業化應用。