大流量顆粒料3D打印跳轉拉絲控制研究*

李昭勛，王 曉，吳華英，王彥麗

(1.西安增材制造國家研究院有限公司，陜西 西安 710117；2.西安交通大學 機械工程學院，陜西 西安 710049)

0 引言

熔融沉積成型(Fused DepositionModeling，F(xiàn)DM)技術作為快速成型(Rapid Prototyping，RP)的技術方法之一，與其他RP技術相比，具有低成本、易操作、容易維護的優(yōu)勢，從而使其成為應用較為廣泛的3D打印技術之一[1]。尤其在新產品研發(fā)階段，可以大幅度縮短生產周期，降低企業(yè)研發(fā)成本，提高新產品的迭代效率，進而提高其市場競爭力[2]。

基于FDM工藝熔融沉積的原理，在打印過程中只要存在跳轉的位置，必然會出現(xiàn)滴料和拉絲問題。通常在模型打印完成后，跳轉部位連接處即會出現(xiàn)大量的絲，往往需要非常小心地用工具將其處理干凈，其打印成本和周期隨之提高[3，4]。滴料、拉絲問題不僅會影響打印件的表面質量，甚至還會造成較為嚴重的尺寸誤差，從而導致打印件報廢。

對于桌面級的FDM設備，打印原材料多為絲材，其打印拉絲控制一般從打印頭結構改進及工藝參數(shù)調整兩方面進行[5]，因為桌面級的FDM設備其打印頭噴嘴直徑通常僅0.4 mm，擠出的材料非常細，易于實現(xiàn)斷裂控制。而對于成型尺寸大、打印效率高的螺桿擠出式工業(yè)級FDM打印設備，其打印噴嘴直徑大(1 mm～5 mm，甚至更大)，擠出流量高，使得擠出材料的直徑變大，跳轉引起的拉絲直徑也在隨之變大，在跳轉過程中，拉絲與本體形成較為牢固的“焊接”結構，加大了后處理的難度。

事實上，拉絲現(xiàn)象是非牛頓流體的固有特性，拉絲不僅與分子結構有關，還與熔體黏度、打印頭的噴嘴溫度、噴嘴結構等因素有關。本文采用西安增材制造國家研究院有限公司自主開發(fā)的工業(yè)級螺桿擠出式FDM設備(EDP-P01)，通過研究跳轉距離、跳轉速度、打印路徑等切片參數(shù)對打印件重量、尺寸精度、拉絲量等的影響，并且通過優(yōu)化切片參數(shù)觀察拉絲情況的改善程度[6，7]，從而得到提高工業(yè)級大擠出量FDM打印設備打印件表面質量及精度的方法。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

實驗材料為臺灣奇美實業(yè)股份有限公司生產的ABS顆粒，牌號PA-757，顆粒直徑約2.75 mm、長度為3 mm，打印溫度為180 ℃～250 ℃。

1.2 實驗設備

實驗設備為西安增材制造國家研究院有限公司自主開發(fā)的FDM打印機EDP-P01(螺桿擠出熔融沉積成型設備)，噴嘴直徑為2.5 mm，如圖1所示。

圖1 EDP-P01設備

1.3 模型打印

1.3.1 建模

1.3.2 切片

采用AMSP-EDP軟件進行切片。

1.3.3 打印條件

采用EDP-P01設備，分別對上述3種模型進行打印。所有模型的打印溫度均為225 ℃，底板溫度均為80 ℃，層厚均為1 mm，打印速度分別為30 mm/s、40 mm/s和50 mm/s三種，線寬為2.5 mm或4.9 mm。

打印路徑如下：

(1)線寬為4.9 mm時，第一個單條往返走一個來回，然后以最短距離跳轉至下一單條，繼續(xù)往返走一個來回，再跳轉至第一個單條……重復上述路徑直至整個模型打印完成，折返回來時線寬理論上僅為0.1 mm。之所以這樣設置，是為了保證跳轉點始終固定在兩個點，可以最簡單直接地反映問題。簡化的跳轉拉絲模型見圖2。

圖2 簡化的跳轉拉絲模型

(2)線寬為2.5 mm時，整個打印路徑同上，只是所有線寬均為2.5 mm。

2 實驗結果與討論

2.1 跳轉對打印件整體重量的影響

采用第(1)種打印路徑進行切片，打印速度為40 mm/s，跳轉距離分別為50 mm、100 mm、200 mm。打印完成后稱量模型總重，并與模型的理論重量進行對比，研究跳轉拉絲過程對打印件整體重量的影響。

而且今年，我們還很高興邀請到了專攻新西蘭葡萄酒的專家，劉玲女士輔助David作翻譯講解。David的專業(yè)講解，劉玲老師在翻譯之余也時不時拋出自己的經驗和種種干貨，讓參與嘉賓贊聲連連。也難怪有嘉賓表示：“內容很多干貨。看得出大師選酒很用心。每款酒都能代表產區(qū)特色、品種風格，哪怕是同樣品種，不同酒款的特色也很鮮明，讓我們深入感受到，個性新西蘭，何止長相思。”

實驗結果表明：跳轉拉絲幾乎不會引起模型整體重量變化。這是由于模型的總重量是由螺桿在打印過程中的總轉數(shù)決定的，而螺桿的轉動直接受G代碼控制。因此，模型一旦切片完成，模型重量就已確定，最終打印件的重量僅僅會受螺桿進出料的波動影響而存在小范圍偏差。而跳轉引起的拉絲是由于結構缺陷導致的，因此拉絲量包含在出料總量中，拉絲量越大，實體缺料量則越大。跳轉對打印件重量的影響如圖3所示。

圖3 跳轉對打印件重量的影響 圖4 跳轉對跳轉端寬度偏差的影響

2.2 跳轉對打印件尺寸偏差的影響

采用第(1)種打印路徑進行切片，打印速度為40 mm/s，跳轉距離分別為50 mm、100 mm、200 mm。打印完成后對跳轉端的寬度進行測量，研究跳轉拉絲過程對打印件尺寸偏差的影響。

實驗結果表明：不同跳轉距離下跳轉端的實際壁厚均比理論值小，且跳轉距離越大壁厚偏差越大。這是因為跳轉過程會出現(xiàn)滴料拉絲現(xiàn)象，而在跳轉至下一個點時會出現(xiàn)缺料現(xiàn)象(即模型的實際壁厚變小)。導致這一結果的直接原因是螺桿擠出量的變化，而在螺桿結構和材料種類確定且材料打印溫度一定的情況下，螺桿的擠出量與塑化壓力有關。在打印過程中螺桿機筒內始終存在塑化壓力，該塑化壓力在打印過程中會達到動態(tài)平衡，以保證材料的均勻擠出。塑化壓力與螺桿轉速有關，螺桿轉速越大，則塑化壓力越大。在打印頭開始跳轉時，螺桿停止轉動，熔融態(tài)的材料在自身重力及機筒內塑化壓力的雙重作用下被擠出(即滴料拉絲現(xiàn)象)，導致塑化壓力降低；而當打印頭跳轉過程完成后，螺桿開始轉動，此時機筒內塑化壓力仍然較低，出料量自然較少，直至塑化壓力達到跳轉前的大小，才能達到正常的擠出量。因此，跳轉端的實際壁厚要比理論壁厚小。跳轉對跳轉端寬度偏差的影響如圖4所示。

2.3 跳轉距離對拉絲量的影響

采用第(1)種打印路徑進行切片，打印速度為40 mm/s，跳轉距離分別為50 mm、100 mm和200 mm，模型打印完成后通過對拉絲量的稱量，研究跳轉距離對拉絲量的影響。

實驗結果表明：拉絲量隨跳轉距離的增大而增大。這是因為對于高分子熔體來說，其本身分子鏈較長且有一定卷曲，因此熔體從噴嘴滴落時并不能立即成團掉落，而是會經歷從拉伸、變細到最終成絲的過程。而在打印速度相同的情況下，跳轉距離越大則跳轉所需時間越長，即噴嘴滴料的時間越長，從而導致拉絲量越大。可以初步得到跳轉時間越長，則拉絲量越大的結論。不同跳轉距離的打印件如圖5所示，跳轉距離對拉絲量的影響如圖6所示。

圖5 不同跳轉距離的打印件

圖6 跳轉距離對拉絲量的影響 圖7 跳轉速度對跳轉拉絲量的影響

2.4 跳轉速度對拉絲量的影響

為進一步驗證跳轉時間與拉絲量的關系，采用第(1)種打印路徑進行切片，跳轉距離為200 mm，打印速度分別為30 mm/s、40 mm/s和50 mm/s，模型打印完成后通過對拉絲量的稱量，對比不同跳轉速度下的拉絲量變化。

實驗結果表明：跳轉距離一定，拉絲量隨跳轉速度的增大而減小。這是由于跳轉距離一定的情況下，跳轉速度越大，則跳轉所需時間越短，即噴嘴滴料時間越短，拉絲量越小。進一步說明跳轉過程中的拉絲量與跳轉時間有關，跳轉時間越長，則拉絲量越大。跳轉速度對跳轉拉絲量的影響如圖7所示。

2.5 優(yōu)化打印參數(shù)控制拉絲量和尺寸精度

通過上述研究結果可以得到，縮短跳轉距離、提高跳轉速度可以在一定程度上減少拉絲，并且可以減小打印件的尺寸偏差。縮短跳轉距離和提高跳轉速度本質上均為減小跳轉時間，而在跳轉時間一定的情況下，通過降低螺桿轉速(即降低螺桿機筒內部壓力)理論上可進一步減少拉絲量。將打印線寬由5 mm減小到2.5 mm(即由單路徑打印變?yōu)殡p路徑打印)，而打印速度和跳轉距離保持一致，即可實現(xiàn)跳轉時間一致，螺桿轉速降低為原來的50%。同時，在不同速度下通過雙路徑打印進一步驗證跳轉時間對拉絲量和打印件尺寸偏差的影響。

實驗結果表明：將打印線寬由5 mm減小到2.5 mm后，拉絲量明顯減小，而且，跳轉端的壁厚與理論值的偏差也明顯減小。充分說明在打印速度和跳轉距離不變的情況下，可以通過減小打印線寬來降低螺桿轉速，進而降低螺桿機筒內壓力，最終減少滴料拉絲量。工藝優(yōu)化后跳轉距離對拉絲量的影響如圖8所示，對模型跳轉端寬度的影響如圖9所示。

圖8 工藝優(yōu)化后跳轉距離對拉絲量的影響

圖9 工藝優(yōu)化后跳轉距離對模型跳轉端寬度的影響

3 結論

(1)在打印材料確定且打印溫度一定時，螺桿擠出熔融沉積3D打印設備打印過程中因跳轉導致的拉絲量主要由跳轉時間和跳轉前螺桿機筒內部壓力決定。跳轉過程對打印件整體重量無影響，但會影響打印件的表面質量和尺寸偏差。

(2)跳轉引起的拉絲量隨跳轉時間的增加而增大，拉絲量亦隨跳轉前螺桿機筒內部壓力的增大而增大。

(3)跳轉端由于滴料拉絲會導致模型的實際壁厚比理論壁厚小。

(4)對于工業(yè)級螺桿擠出式FDM設備，針對跳轉較多的模型進行參數(shù)設置時，適當提高打印速度、減小線寬、通過路徑優(yōu)化減小跳轉距離，均可在一定程度上減少因跳轉導致的拉絲量，從而提高打印件的表面質量和尺寸精度。