3D打印零件尺寸收縮的原因分析

高學(xué)群

（常州劉國鈞高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，江蘇 常州 213025）

3D打印技術(shù)誕生于上世紀(jì)80年代后期，是快速成型技術(shù)的一種。按照原理的不同，目前3D打印技術(shù)主要包括立體光固化成型（SLA）、選擇性激光燒結(jié)成型（SLS）、熔融沉積成型（FDM）等工藝。其中，熔融沉積成型（FDM）技術(shù)是目前普及率較高的3D打印技術(shù)，廣泛被桌面級3D打印機所采用。FDM技術(shù)所使用的材料一般為丙烯腈、丁二烯和苯乙烯共聚物（ABS）或聚乳酸（PLA）。由于受到各種因素的影響，采用熔融沉積成型（FDM）工藝3D打印的零件實際尺寸往往小于設(shè)計尺寸，即零件成型后往往會出現(xiàn)收縮現(xiàn)象，嚴重影響制件精度，導(dǎo)致打印出的零件不能滿足使用要求。因此，有必要對3D打印零件的收縮率進行分析。文章將以一種聚乳酸（PLA）為成型材料，利用Makerbot品牌的FDM工藝3D打印機作為分析平臺，通過打印分析，分析3D打印零件尺寸收縮率的變化規(guī)律。

1 分析方案

1.1 原料

分析所采用3D打印成型材料參數(shù)如表1所示。

表1 分析所采用3D打印成型材料參數(shù)

1.2 設(shè)備及儀器

文章所使用的3D打印機為Maker Bot Replicator Z18，該打印機殼體采用粉末涂層鋼板和鋁合金制造，且打印機托盤位于機箱內(nèi)，所以在本分析中，忽略外界環(huán)境溫度對打印精度的影響。該打印機為一臺工業(yè)級的3D打印機，層分辨率為100μm。測量打印成型后的零件尺寸所用的工具為精確度為0.02mm的游標(biāo)卡尺。

1.3 打印參數(shù)設(shè)置

為了獲取較高的打印精度，打印層片厚度設(shè)定為0.05mm，噴嘴溫度設(shè)定為215℃，其它參數(shù)按照MakerBot Desktop軟件的高精度值進行設(shè)置。

2 分析結(jié)果與分析

2.1 數(shù)據(jù)測量

打印完成后，通過Maker Bot Replicator Z18自身所帶的溫度傳感器觀察機箱內(nèi)的溫度，待溫度降低為20℃時，將打印試件從平臺上取下來。

用游標(biāo)卡尺測量打印后的正方體邊長D和方孔邊長d實際尺寸。為了減少測量中的誤差和不確定度，采取沿著半徑不同方位多次測量取平均值的方法來獲取最終的分析結(jié)果。收縮率的計算公式為：

式中，D為理想尺寸：M為實際測量尺寸。

2.2 邊長收縮率

表2列出了打印結(jié)束后，使用游標(biāo)卡尺實測得到的零件邊長尺寸。根據(jù)表2分析得到的邊長尺寸收縮率與零件邊長之間的關(guān)系。從圖2可以看出，不同尺寸的試件邊長均出現(xiàn)了一定程度的收縮，收縮率在0.15%～0.7%。

表2 使用游標(biāo)卡尺實測得到的零件邊長尺寸mm

隨著試件邊長尺寸數(shù)值的增加，邊長的收縮率也呈現(xiàn)出增加的趨勢。此外，方孔邊長d的大小對試件邊長收縮率有一定的影響，在試件邊長值固定的情況下，方孔邊長d越大，試件邊長收縮率也越大。

列出了孔徑收縮率與孔徑尺寸之間的關(guān)系。可見，在試件邊長D固定不變的情況下，孔徑越大，孔徑收縮率越小。孔徑的收縮率同樣受到試件邊長的影響，相同孔徑下，試件邊長越大，孔徑的收縮率也越大。

3 分析驗證

表3 考慮收縮率后再次打印試件后測量得到的尺寸mm

3.1 試件模型重建

根據(jù)2.2和2.3小節(jié)分析得到的分析結(jié)果，利用Solid works軟件重新建立了CAD試件模型，在建模時考慮邊長和孔徑收縮率對實際尺寸的影響，按照式（2）計算得到模型的邊長和孔徑CAD模型尺寸。

式中，C為收縮率，對于邊長，C的范圍為0.15%～0.7%，對于方孔，C的范圍為0.1%～0.3%，D為理想尺寸。為CAD模型中的實際設(shè)計尺寸。

3.2 再次打印試件驗證

表3為考慮收縮率重新建模后，3D打印得到的部分試件邊長和內(nèi)孔尺寸。

從表3可以看出，在建模時考慮收縮率，重新打印得到的試件邊長和內(nèi)孔實際尺寸與設(shè)計尺寸之間的誤差明顯小于未考慮收縮率時的尺寸誤差。

4 結(jié)語

文章以一種聚乳酸（PLA）為成型材料，利用Makerbot品牌的FDM工藝3D打印機作為分析平臺，分析了3D打印過程中方形試件的邊長和方孔尺寸收縮率的變化規(guī)律。并根據(jù)分析結(jié)果，得出了零件尺寸收縮率補償方法。通過再次打印試件驗證了該方法的有效性。