熔融沉積3D打印成型缺陷研究與對(duì)策

傅潔瓊

摘要：熔融沉積（FDM） 3D打印是目前應(yīng)用范圍較廣的一種成型技術(shù)。但是制約這一成型技術(shù)發(fā)展的主要瓶頸在于打印精度、成型材料和產(chǎn)品成本。FDM在成型過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)一系列的影響其外觀和尺寸精度的問(wèn)題，諸如成型件拉絲、出現(xiàn)孔洞或者縫隙、填充不牢固、層錯(cuò)位等。本文針對(duì)打印產(chǎn)品存在外觀和尺寸精度的問(wèn)題，找出相關(guān)的原因，并提出切實(shí)可行的對(duì)策。

關(guān)鍵詞：FDM成型；打印精度；打印溫度

中圖分類號(hào)：TH362 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-6487 （2018） 01-0024-02

0 引言

絲狀材料選擇性熔覆（簡(jiǎn)稱FDM）主要是通過(guò)供絲機(jī)構(gòu)送進(jìn)噴頭，在噴頭中加熱到熔融態(tài)，熔融態(tài)的絲狀材料被擠壓出來(lái)，按照計(jì)算機(jī)給出的截面輪廓信息，隨加熱噴頭的運(yùn)動(dòng)后逐層堆疊固化來(lái)構(gòu)成三維產(chǎn)品的。此種方法在打印成型過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)不同的成型缺陷，下面針對(duì)不同的缺陷提出相應(yīng)的對(duì)策。

1 產(chǎn)品拉絲或垂料

當(dāng)打印件上殘留細(xì)小的塑料絲線，則發(fā)生了拉絲。通常，這是因?yàn)楫?dāng)噴嘴移到新的位置時(shí)，塑料從噴嘴中垂出來(lái)了。解決拉絲問(wèn)題，最常用的方法是“回抽”。如果回抽是開(kāi)啟的，那么當(dāng)擠出機(jī)完成模型一個(gè)區(qū)域的打印后，噴嘴中的線材會(huì)被回拉，這樣再次打印時(shí)，塑料會(huì)被重新推入噴嘴，從噴嘴頂部擠出。解決拉絲的主要對(duì)策有回抽距離、回抽速度、溫度和懸空移動(dòng)距離的設(shè)置[1]。

1.1 回抽距離

回抽最重要的設(shè)置，是回抽距離。它決定了多少塑料會(huì)從噴嘴拉回。一般來(lái)說(shuō)，從噴嘴中拉回的塑料越多，噴嘴移動(dòng)時(shí)，越不容易垂料。大多數(shù)直接驅(qū)動(dòng)的擠出機(jī)，只需要0.5～2.Omm的回抽距離，然后一些波頓（Bowden）擠出機(jī)，可能需要高達(dá)15mm的回抽距離，因?yàn)閿D出機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪和熱噴嘴之間的距離更大。如果打印件出現(xiàn)拉絲問(wèn)題，可以增加回抽距離，每次增加lmm，觀察改善情況。

1.2回抽速度

下一個(gè)回抽相關(guān)的設(shè)置，是回抽速度。它決定了線材從噴嘴抽離的快慢。如果回抽太慢，塑料將會(huì)從噴嘴中垂出來(lái)，進(jìn)而在移動(dòng)到新的位置之前，就開(kāi)始泄漏了。如果回抽太快，線材可能與噴嘴中的塑料斷開(kāi)，甚至驅(qū)動(dòng)齒輪的快速轉(zhuǎn)動(dòng)，可能刨掉線材表面部分。當(dāng)回抽速度介于1200～6000 mm/min（20～100 mm/s），回抽效果會(huì)比較好.一般的軟件有默認(rèn)配置數(shù)值，這個(gè)數(shù)值可以作為參考基礎(chǔ)，來(lái)確定最佳的回抽速度，讓打印的效果最好。但是，最理想的數(shù)值，需根據(jù)實(shí)際使用的材料做多次試驗(yàn)，來(lái)確定合適的速度。

1.3溫度太高

如果回抽距離和回抽速度設(shè)置都合理的話，導(dǎo)致拉絲問(wèn)題的因素可能是擠出機(jī)溫度。如果溫度太高，噴嘴中的塑料會(huì)變成非常粘稠，進(jìn)而更容易從噴嘴中流出來(lái)。如果溫度太低，塑料會(huì)保持較硬狀態(tài)，而難以從噴嘴中擠出來(lái)。如果確認(rèn)回抽設(shè)置是正確的，但是打印仍然出現(xiàn)拉絲問(wèn)題，可以嘗試降低擠出機(jī)溫度，降低5～10℃。對(duì)打印質(zhì)量有顯著改善效果。

1.4懸空移動(dòng)距離太長(zhǎng)

拉絲發(fā)生在擠出機(jī)在兩個(gè)不同位置間移動(dòng)過(guò)程中，是塑料從噴嘴中垂下來(lái)的一種現(xiàn)象。短程移動(dòng)足夠快，塑料沒(méi)有時(shí)間從噴嘴中重落下來(lái)；而大距離的移動(dòng)出現(xiàn)拉絲機(jī)率更大。因此需要開(kāi)啟自動(dòng)調(diào)整移動(dòng)路徑的智能設(shè)置，來(lái)保證噴嘴懸空移動(dòng)的距離最短。有了特性的設(shè)置，噴頭都可以找到合適的路徑，以此避免懸空移動(dòng)很遠(yuǎn)，這樣減少了拉絲的可能性。

2 層開(kāi)裂或斷開(kāi)

3D打印件結(jié)實(shí)可靠，需要確保每層充分地與它下面的層粘合。如果層與層之間不能很好地粘合，最后打印件可能開(kāi)裂或斷開(kāi)。對(duì)于此現(xiàn)象的產(chǎn)生典型原因是打印設(shè)置的層過(guò)高或者是打印溫度過(guò)低。

2.1層高太高

多數(shù)3D打印機(jī)噴嘴直徑都在0.3～0.5 mm之間。塑料從這個(gè)很小的孔中擠出，形成非常細(xì)的擠絲，進(jìn)而構(gòu)建細(xì)節(jié)豐富的打印件。然而，這些小噴嘴也會(huì)導(dǎo)致層高的限制。當(dāng)在一層上打印另一層塑料，需要確保新的層被擠壓到下面那層上，從而使兩層可以粘合在一起。一般來(lái)說(shuō)，需要確保選擇的層高比噴嘴直徑小20%。例如，如果噴嘴直徑是0.4mm，那使用的層高不能超過(guò)0.32mm，否則每層上的塑料將無(wú)法正確地與它下面的層粘合。所以，如果發(fā)現(xiàn)打印件開(kāi)裂，層與層之間沒(méi)能粘合在一起，首先需要檢查層高與噴嘴直徑是否匹配。可以試著減少層高看是否能讓層粘合得更好。

2.2打印溫度太低

如果發(fā)現(xiàn)層與層之間不能很好粘合，并且確定層高設(shè)置合理，那么可能是線材需要以更高的溫度來(lái)打印，以便更好地粘合。例如溫度在190℃，打印ABS塑料，層與層之間很容易分開(kāi)。這是因?yàn)锳BS塑料一般需要在220～235℃時(shí)打印，以便層之間有力地粘合。所以對(duì)于不同的絲材，必須要使用正確的打印溫度。對(duì)于過(guò)冷的打印溫度可以嘗試增加溫度，每次增加10℃，來(lái)看看粘合是否有所改善。

3 細(xì)節(jié)打印不出來(lái)

打印機(jī)都有一個(gè)固定尺寸的噴嘴，可以精確地打印出非常細(xì)微的細(xì)節(jié)。一般打印機(jī)，裝有0.4mm直徑開(kāi)孔的噴嘴，在打印許多產(chǎn)品時(shí)，它的精度是夠用的，但是在打印極為細(xì)小，以至于比噴嘴直徑還小的細(xì)節(jié)時(shí)，就會(huì)遇到打印細(xì)節(jié)不完整的問(wèn)題。這是因?yàn)橛?.4mm的噴嘴，打印0.2mm的薄壁時(shí)，無(wú)法從0.4mm的擠出機(jī)中精確地產(chǎn)生0.2mm的擠出絲，擠出絲寬度總是比噴嘴直徑大或者相等。在軟件中打開(kāi)“打印預(yù)覽”時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)軟件刪除了細(xì)微的特征。軟件以這種方式告知無(wú)法使用打印機(jī)上安裝的噴嘴，打印這種太細(xì)微特征。如果一定要打印出細(xì)微的細(xì)節(jié)，有下面幾種策略可以參考。

3.1 重新設(shè)計(jì)有薄壁的模型

最直接的方法是重新設(shè)計(jì)模型，使其只包含比噴嘴直徑大的特征，通常這涉及到編輯CAD文件中的3D模型，以修改細(xì)微特征的尺寸。當(dāng)你增加細(xì)微特征的厚度之后，可以重新導(dǎo)入模型到軟件中，來(lái)檢查預(yù)覽打印機(jī)是否能打印創(chuàng)建的3D形狀。

3.2安裝開(kāi)孔直徑更小的噴嘴

多數(shù)時(shí)候，沒(méi)有辦法或者不能變更編輯原始3D模型。此時(shí)，可以考慮給打印機(jī)配第二個(gè)噴嘴，以便打印細(xì)微特征。多數(shù)打印機(jī)，噴嘴都是可以拆卸的，這樣方便用戶根據(jù)產(chǎn)品的打印細(xì)節(jié)需求更換相應(yīng)的噴嘴。

4 擠出不穩(wěn)定

打印高精度的打印件，需要擠出機(jī)能穩(wěn)定擠出塑料。在打印件的不同部分，擠出絲有變化，這將影響最終的打印質(zhì)量。通過(guò)仔細(xì)地觀察打印過(guò)程，可以識(shí)別出擠出不穩(wěn)定的問(wèn)題。例如：如果打印機(jī)打印一個(gè)長(zhǎng)20mm的直線，如果發(fā)現(xiàn)擠出絲凹凸不平，或者尺寸好像有波動(dòng)，那你可能遇到了擠出不穩(wěn)定問(wèn)題。

4.1 線材被卡住或纏繞在一起

首先檢查打印機(jī)的供料耗材卷，確保耗材卷是可以順暢轉(zhuǎn)動(dòng)的，塑料線材能輕松地從卷上拉出來(lái)。如果線材是混亂的，或者耗材卷自由轉(zhuǎn)動(dòng)的阻力太大，這將影響順暢地從噴嘴中擠出。如果你的打印機(jī)上安裝了波頓（Bowden）管，需要檢查線材是否能順暢地穿過(guò)管子，如果管中的阻力太大，需要試著清理一個(gè)管子，或在管中加一些潤(rùn)滑。

4.2堵頭

如果線材沒(méi)有被卡住，能很輕松地推進(jìn)擠出機(jī)，那么有可能有一些細(xì)小的碎片，或外來(lái)物進(jìn)入噴嘴，阻止了正常的擠出。測(cè)試這一可能性的簡(jiǎn)單方法是，使用設(shè)備控制面板從噴嘴中手工擠出一些塑料，觀察確保塑料擠出是連續(xù)和穩(wěn)定的。如果發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，需要聯(lián)系打印機(jī)提供商來(lái)獲得清時(shí)噴嘴內(nèi)部的正確方法清。

4.3層高太小

如果線材轉(zhuǎn)動(dòng)順暢，擠出機(jī)沒(méi)有堵，檢查一下軟件中的一些設(shè)置。例如是否打印非常小的層高，如0.01mm，這時(shí)將只有很小的空間供塑料擠出噴嘴。噴嘴下方只有0.1mm的間隙，這意味著塑料可能很難擠出。如果使用了非常小的層高在打印，試試增加層高，看問(wèn)題是否解決了。

4.4錯(cuò)誤的擠出絲寬度

需要檢查的另一個(gè)設(shè)置是擠出機(jī)的擠出絲寬度。每個(gè)擠出機(jī)都有自己?jiǎn)为?dú)的擠出絲寬度，所以確保從列表上選擇相應(yīng)的擠出機(jī)，來(lái)查看設(shè)置。如果擠出絲寬度確實(shí)小于噴嘴直徑，可能導(dǎo)致問(wèn)題。一般來(lái)說(shuō)，擠出絲寬度需要是噴嘴直徑的100%—150%。如果擠出絲寬度遠(yuǎn)比噴嘴直徑小，擠出機(jī)將無(wú)法穩(wěn)定地?cái)D出耗材。

4.5耗材質(zhì)量太差

另一個(gè)與擠出不穩(wěn)定相關(guān)因素是所使用的線材的質(zhì)量。質(zhì)量差的線材，可能包含其它添加劑，影響擠出的穩(wěn)定性，也可能是線材的直徑不穩(wěn)定導(dǎo)致擠出不穩(wěn)定。另外很多塑料時(shí)間一長(zhǎng)都有降解的趨勢(shì)。如PLA傾向空氣中的水分，這將導(dǎo)致打印質(zhì)量下降。如果耗材有問(wèn)題，試著更換一卷新的、沒(méi)有拆包的、高質(zhì)量的耗材，看問(wèn)題是否可以解決。

4.6擠出機(jī)機(jī)械故障

如果排除了以上所有情況，但仍然有擠出不穩(wěn)定的問(wèn)題，那么可能需要檢查擠出機(jī)是否有機(jī)械故障。例如很多擠出機(jī)使用帶有尖利齒的驅(qū)動(dòng)齒輪，齒輪咬入線材，使擠出機(jī)前后抽拉線材更容易。這種擠出機(jī)通常可以調(diào)節(jié)齒輪對(duì)線材的壓力。如果設(shè)置得太松，驅(qū)動(dòng)齒輪將無(wú)法足夠深地咬入線材，會(huì)影響擠出機(jī)精確控制線材位置的能力。那么可以咨詢打印機(jī)提供商確認(rèn)打印機(jī)是否也有類似調(diào)節(jié)機(jī)制。

5 結(jié)論

以上總結(jié)了幾個(gè)常見(jiàn)打印缺陷的原因及對(duì)策，在打印過(guò)程中，對(duì)于遇到具體的問(wèn)題，需要仔細(xì)觀察和分析找到相應(yīng)的原因，以便采取正確的對(duì)策。

參考文獻(xiàn)

[1] 韓霞，楊恩源，快速成型技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

[2] 劉洋子健，夏春蕾，張均，等.熔融沉積成型3D打印技術(shù)應(yīng)用進(jìn)展及展望[J].工程塑料應(yīng)用，2017 （3）：130-133.