FDM打印工藝優(yōu)化

■ 江門市新會區(qū)會城邦諾模具加工部 （廣東江門 529100） 柯秉光

設(shè)計(jì)部經(jīng)理 柯秉光

隨著3D打印的不斷推廣，越來越多生產(chǎn)商在產(chǎn)品設(shè)計(jì)或者正式推出之前，使用3D打印機(jī)進(jìn)行手板的制作或者小批量的試產(chǎn)。FDM打印是目前性價(jià)比較高、使用較廣的一種打印方式，盡管操作比較簡單，但要打印出高質(zhì)量的打印件，還需要根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化打印工藝。

1. FDM打印的特點(diǎn)

從產(chǎn)品評估的角度來看，尺寸精度、產(chǎn)品強(qiáng)度以及表面粗糙度是三個(gè)重要的指標(biāo)。這三個(gè)看似獨(dú)立的指標(biāo)，其實(shí)都源于FDM成形原理而且密切相關(guān)。3D打印的工作原理是逐層加工疊加成形，F(xiàn)DM打印（熔融沉積成形）在這一原理的基礎(chǔ)上還多了一個(gè)反復(fù)加熱冷卻的過程。

以圓柱體打印為例，圖1所示為直徑3m m、長50m m的圓柱，分別采用水平與豎直兩種放置方式進(jìn)行打印。由于兩種方式圓柱與打印平臺的接觸面積都很小，于是添加了輔助裙邊提高附著強(qiáng)度。打印完畢并清除輔助結(jié)構(gòu)后，對比一下圓柱的橫截面：水平打印的橫截面由同向的條紋組成，開始層與結(jié)束層有缺失，輪廓斷續(xù)不完整；豎直打印的橫截面是實(shí)心的，輪廓是完整的圓形。因此，F(xiàn)DM打印件的表面有個(gè)特點(diǎn)：打印表面趨于垂直表面更光滑；打印表面趨于水平（水平放置的平面除外）表面粗糙，大弧度的曲面會有層缺失的現(xiàn)象。把兩根圓柱端面對齊，左右手分別握住兩端同時(shí)進(jìn)行折彎測試。當(dāng)折彎至150°時(shí)，豎直放置的圓柱折斷了，水平放置的圓柱僅出現(xiàn)細(xì)微的裂痕。所以FDM打印件的產(chǎn)品強(qiáng)度呈現(xiàn)各向異性，即層切面方向的剛性比垂直方向的低，這是打印層之間的附著力相對較低的表現(xiàn)。以10mm為一段，用卡尺分別測量兩根圓柱各段的直徑：水平放置的圓柱盡管剖面不圓，但各段相同位置公差在±0.03mm；豎直放置圓柱根部直徑為3.08mm，10mm高的直徑為3.02mm，30mm高的直徑為3.15mm，往上的剖面直徑基本是（3.15±0.03）mm。造成豎直放置圓柱剖面直徑變化較大的主要原因有兩個(gè)：一是溫度影響了收縮，由于打印過程中打印平臺恒溫在70℃，所以根部的尺寸偏大；二是由于長徑比大，導(dǎo)致打印過程中較高的部分有輕微的晃動，所以剖面直徑偏大。

圖1 圓柱的放置方式與折彎測試

2. 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與打印支撐

在FDM打印之前，要根據(jù)產(chǎn)品的實(shí)際使用情況，選用打印件放置的方式并確保打印件與打印平臺有足夠的附著力，以提高打印件的強(qiáng)度與表面質(zhì)量。在使用允許的前提下，盡量采用打印壁厚均勻的空心模型，以減少因材料冷卻收縮引起的精度降低甚至產(chǎn)品變形，選擇合理的填充結(jié)構(gòu)與比例，保證空心模型的強(qiáng)度。事實(shí)上，我們要打印的產(chǎn)品大多都是不規(guī)則結(jié)構(gòu)的，比如一些懸空、懸垂的結(jié)構(gòu)，僅憑上述方法不足以解決問題，需要引入打印支撐結(jié)構(gòu)。圖2用一個(gè)簡化的圖形，以打印表面與打印平臺的角度關(guān)系，列出了幾種需要添加支撐的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)：懸空、懸垂、橫梁和拱形。廣義來說，非垂直的結(jié)構(gòu)都屬于懸空，但圖2中BC、DE、GI不需要添加支撐，因?yàn)榇蛴〔糠智邢蚺c打印平臺夾角大于45°。懸垂結(jié)構(gòu)GL對產(chǎn)品整體來說是先分開后連接，所以必須有支撐點(diǎn)。橫梁EG、GK是水平懸臂，也必須有支撐才能保證產(chǎn)品的形狀與精度。拱形CD可以看作是懸垂與橫梁的極限結(jié)合體，所以大跨度的拱形也建議添加支撐。另外圖2中的放大圖也顯示出不同結(jié)構(gòu)內(nèi)部的打印層結(jié)構(gòu)，Ⅰ放大圖也作為水平放置圓柱橫截面的簡化顯示。

圖2 模型結(jié)構(gòu)與支撐

3. 結(jié)語

3D打印的出現(xiàn)給傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)帶來了一場革命，也是現(xiàn)代加工方式的重要補(bǔ)充。在汽車、航空航天領(lǐng)域，3D打印零部件的使用穩(wěn)步增長，針對3D打印零件的設(shè)計(jì)、仿真軟件也越來越先進(jìn)，不少老牌的工業(yè)設(shè)計(jì)軟件也加入了3D打印功能。3D打印給設(shè)計(jì)師帶來了神兵利器，能否駕馭為其所用也是一個(gè)挑戰(zhàn)，若能基于傳統(tǒng)理念不斷拓寬思維，將會給人們帶來更多的驚喜。

《金屬加工（冷加工）》刀具、模具制造欄目征稿

《金屬加工》（原名機(jī)械工人）雜志創(chuàng)刊于1950年，由機(jī)械工業(yè)信息研究院主辦，屬于國家級期刊。創(chuàng)刊70年來，一直關(guān)注制造業(yè)的發(fā)展變化，期刊內(nèi)容來源于生產(chǎn)、服務(wù)于實(shí)踐，被譽(yù)為“一部機(jī)械制造技術(shù)的長卷”。

《金屬加工（冷加工）》設(shè)有多個(gè)常規(guī)欄目，現(xiàn)“刀具”、“模具制造”欄目面向廣大制造業(yè)內(nèi)人士征集稿件，歡迎大家踴躍投稿。

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