ABS塑料的3D打印工藝優化研究

付建軍

（楊凌職業技術學院機電工程學院，陜西楊凌712100）

隨著材料加工工藝的更新換代以及計算機技術的進一步發展，3D打印技術成為一種引人矚目的加工方法。在高分子材料加工領域，3D打印技術也逐漸占據了十分重要地位，在制造薄壁制件和具有復雜形狀的零件、工藝品等方面，應用十分廣泛[1-10]。ABS塑料是一種具有十分優異的力學強度、表面硬度以及抗沖擊性能的高分子材料，而且具有較好的化學惰性，能夠應用在眾多領域，例如汽車工程、建筑工程、室內裝飾等。由于ABS是一種熱塑性塑料，具有較好的加工性能，可以通過3D打印技術制造出各式各樣的產品，是一種十分常見的3D打印用高分子絲材[11-12]。

由于3D打印技術可用于薄壁制品和具有復雜結構的產品的制造，因此對于加工工藝進行優化和控制，可以有效地實現產品性能和質量的改善。例如，對于薄壁塑料制件，翹曲變形是十分典型的缺陷。在3D打印過程中，無論是聚合物絲材熔體的流動性、打印速率，還是打印平臺的溫度和冷卻速率，都會影響到制件的翹曲變形量[13-15]。為了探究3D打印工藝對ABS塑料制件的影響，本文模擬了不同溫度參數、速率參數下所制造的ABS材質手機外殼的翹曲變形情況，并對各個因素的影響進行了詳細的研究。

1 實驗部分

1.1 實驗原料

ABS塑料：牌號ABS-PA-707，密度為1.05～1.08 g/cm3，含水量小于1%，熔融溫度為200～230 ℃。

1.2 試驗設備

3D打印機：型號為DC-1000，湖北地創三維科技有限公司。

1.3 ABS制件的3D打印

稱取1.0 kg的ABS絲材，置于3D打印機的料筒中。按照打印工藝參數設置好供料段溫度、壓縮段溫度、均化段溫度、打印速率和打印平臺溫度（詳見正文部分），然后開啟3D打印機自動打印模式，完成ABS制件的3D打印加工。

2 結果與討論

2.1 溫度工藝參數的影響

本文首先對3D打印的溫度工藝參數對ABS手機殼的翹曲變形量的影響進行了研究。在3D打印過程中，溫度參數分3段進行控制，分別為供料段溫度、壓縮段溫度和均化段溫度。本文通過正交實驗研究了溫度參數對制件翹曲變形量的影響，實驗結果見表1。

表1 3D打印溫度參數正交試驗Table 1 Orthogonal test of 3D printing temperature parameters

當壓縮段溫度和均化段溫度分別保持在190℃和210℃不變時，供料段溫度由180℃升至200℃后，制件的翹曲變形量由0.2212mm降低至0.1923mm。在供料段，ABS塑料被預熱，隨著供料段溫度提高，ABS發生軟化的程度更高，則在壓縮段和均化段更容易轉變為流動性能好的流體。也就是說當供料段溫度為200℃時，物料的溫度更接近其熔融溫度，經過壓縮段，更容易在均化段轉變為均一、流動性好的流體，因此相應制件的翹曲變形量相對較低。當供料段溫度和均化段溫度分別保持在180℃和210℃不變時，對壓縮段溫度進行優化發現：壓縮段溫度由190℃升至210℃后，制件的翹曲變形量由0.2212mm降低至0.1027mm。在壓縮段，ABS塑料進一步軟化，隨著壓縮段溫度提高，ABS發生軟化的程度更高，則在均化段更容易轉變為流動性能好的流體。當壓縮段溫度為210℃時，物料已經出現部分熔融，更容易在均化段轉變為均一、流動性好的流體，因此相應制件的翹曲變形量相對較低。當供料段溫度和壓縮段溫度分別保持在180℃和190℃不變時，對均化段溫度進行優化發現：均化段溫度由210℃升至230℃后，制件的翹曲變形量由0.2212mm降低至0.0765 mm。在均化段，ABS塑料由軟化的固相轉變為流動相，隨著均化段溫度提高，ABS發生熔融程度更高，流性能更好。因此，當均化段溫度為230℃時，相應制件的翹曲變形量相對較低。

另外，我們探究供料段溫度、壓縮段溫度和均化段溫度對制件翹曲變形量的影響程度，如圖1所示。

圖1 不同溫度因素對制件翹曲變形量的影響Fig. 1 Influence of different temperature factors on the warping deformation of the workpiece

由圖1可知：當供料段溫度發生變化時，制件的翹曲變形量并未產生明顯的變化；但當壓縮段和均化段的溫度發生變化時，制件的翹曲變形量變化較為明顯。這說明，壓縮段和均化段對ABS塑料熔體的流動性能影響較為顯著，但送料段的影響不大。不過，為了保證ABS塑料由固體到流體的均勻轉化，一般需要保持均化段溫度＞壓縮段溫度＞供料段溫度。因此對于溫度參數的最佳組合應該為：供料段溫度200℃，壓縮段溫度210℃，均化段溫度230°C。

2.2 打印速率的影響

本文還研究了3D打印速率參數對制件翹曲變形量的影響。如表2所示，隨著打印速率由20 mm/s提高至100 mm/s，制件的翹曲變形量出現了先降低再升高的變化趨勢。當打印速率為40 mm/s時，制件的翹曲變形量為0.0544 mm；而當打印速率為20 mm/s時，制件的翹曲變形量為0.0981 mm。這是由于，打印速率過慢，ABS塑料熔體由打印噴頭噴出的過程中已經發生部分冷卻，因此沉積在打印平臺上形成制件后，會出現較為明顯的翹曲變形。然而，當打印速率高于40 mm/s后，由60 mm/s增至100 mm/s的過程中，制件的翹曲變形量由0.653 mm逐漸提高至0.1022 mm。這是由于，打印速率過快，ABS熔體快速沉積在打印平臺上，會導致制件各部位冷卻速率不均一，從而造成翹曲變形量變大。由表2數據可知，較為適合ABS塑料的打印速率為40 mm/s。

表2 3D打印速率參數的影響Table 2 Influence of 3D printing rate parameters

2.3 打印平臺溫度的影響

本文還研究了3D打印機打印平臺溫度對制件翹曲變形量的影響。如表3所示，隨著打印平臺溫度由20℃提高至80℃，制件的翹曲變形量出現了先降低再升高的變化趨勢。當打印平臺溫度為60℃時，制件的翹曲變形量為0.0544 mm；而當打印速率為20℃和40℃時，制件的翹曲變形量分別為0.0897 mm和0.0732 mm。這是由于，若打印平臺的溫度較低，ABS塑料熔體由打印噴頭噴出，沉積在打印平臺上形成制件時，會出現快速的凝固，來不及釋放熔體內部的內應力，造成較為明顯的翹曲變形。然而，當打印平臺溫度高于60℃時，相應制件的翹曲變形量出現了再次升高的現象。當打印平臺溫度為80℃時，相應制件的翹曲變形量為0.0662mm。這是由于較高的打印平臺溫度使得之間的冷卻時間邊長，也會進一步造成不同部位的冷卻速率出現差異，從而造成翹曲變形量變大。由表3數據可知，較為適合ABS塑料的打印平臺溫度為60℃。

表3 3D打印平臺溫度的影響Table 3 Influence of temperature of 3D printing platform

2.4 3D打印實驗研究

通過上述實驗研究發現，適用于該ABS塑料手機外殼的3D打印工藝參數組合為：供料段溫度為200℃，壓縮段溫度為210℃，均化段溫度為230℃，打印速率為40 mm/s，打印平臺溫度為60℃。在該工藝參數組合下，我們進行了10組ABS塑料手機外殼制件的3D打印制備，并對制件的翹曲變形量進行了測量，實驗結果見表4。

表4 ABS塑料制件3D打印實驗驗證結果Table 4 Experimental verification results of ABS plastic parts 3D printing

由表4實驗結果可知，十次實驗結果的翹曲變形量相差不大，最高為0.0562 mm，最低為0.0512 mm，平均翹曲變形量為0.0544 mm。與理論翹曲變形量相比，各組制件的翹曲變形量絕對誤差均較小，最大僅為0.0018 mm，最小為0mm。十組實驗的標準差為0.0005。以上實驗結果說明，本文的模擬仿真結果較為準確，而且經模擬仿真所得到的優化工藝參數組合也較適合該ABS手機外殼的3D打印制備，所制得的制件翹曲變形量較低，質量穩定。

3 結論

本研究對ABS塑料手機外殼的3D打印工藝參數進行模擬優化，得到了最佳的工藝參數組合：供料段溫度為200℃，壓縮段溫度為210℃，均化段溫度為230℃，打印速率為40 mm/s，打印平臺溫度為60℃。打印溫度、打印速率和打印平臺溫度均對制件的翹曲變形量產生了較為明顯的影響，其中打印速率參數組合中壓縮段溫度和均化段溫度影響較為顯著，供料段溫度影響較小。另外，在最佳工藝組合的工藝參數下制備了十組ABS塑料手機外殼，最終實驗結果與模擬仿真結果相符程度較高，最大翹曲變形量為0.0562 mm，最低為0.0512 mm，各組制件的翹曲變形量絕對誤差均較小，最大僅為0.0018 mm，最小為0mm。十組實驗的標準差為0.0005。