工藝參數對FDM打印航空鈑金試樣件底面邊角翹邊的影響★

殷海瞇，歐佳順

（長沙航空職業技術學院，湖南 長沙 410124）

引言

隨著航空航天、電子信息、醫學醫療等領域的迅猛發展，傳統去除材料的加工方式造成原材料的大量浪費、生產周期長、無法應對復雜結構輪廓零件的制造，且在行業發展正處于工業4.0，智能制造2025大趨勢下，數字化改造、綠色制造、個性化定制成為主要研究方向[1-2]。3D打印技術相較于傳統減材制造產品，方式上存在很大差異，屬于逐層熔化累加增材制造，依據計算機輔助設計（CAD）等手段實現模型實時修改和縮短制造周期，從而提高效率[3]。

近年來，關于3D打印方面的研究熱度持續上漲[4-5-6]。針對航空類難加工零部件，它們都有一個相似點：輪廓復雜外形尺寸較長。不管是實際生產應用還是教具件制作，在以PLA為原材料FDM打印過程中，尤其是底部呈寬扁平狀且有尖角結構的教具件打印時，很大概率發生底面與平臺脫離現象。尤其是在類似三角形結構邊角處容易出現翹邊彎曲問題，針對寬扁平零件邊緣處翹邊現象，研究FDM打印工藝參數對提高零件成形質量具有一定的價值。

本文針對呈現扁平外形輪廓的特定航空零件，利用UG創建試樣模型。在FDM打印過程中采用正交實驗法，系統研究不同工藝參數對模型打印過程中出現邊角翹邊現象的影響，得出最優成形質量的FDM打印工藝。通過研究填充方式（三角形、六邊形、線形）、打印溫度（190℃、210℃和230℃）以及打印速度（30 mm/s、60 mm/s）對比分析扁平長零件邊緣處翹邊問題。為FDM打印上解決邊角翹邊問題做科學依據，為FDM實際生產應用過程上做技術支撐。

1 實驗方法

實驗所使用的試樣三維模型通過UG軟件構建并導出為STL格式文件，設備使用陜西閃鑄科技有限公司生產的dreamer nx系列FDM打印機，通過配套切片軟件Flashprint進行填充方式、打印溫度、打印速度等參數設置后生成Gcode文件，最后傳送Gcode文件至打印機中進行試件部分的打印。實驗材料選用閃鑄提供直徑Φ1.75mm的PLA線材（聚乳酸），其熱穩定性好，加工溫度在170～230℃，制成線性材料適用于多數常規FDM設備打印。

2 結果與分析

2.1 不同填充方式下邊角翹邊情況

通過正交對比試驗，得出不同填充方式打印過程中邊角翹邊情況，如下頁圖1所示。從圖中可以看出，線形、六邊形填充打印5 mm扁平凸臺情況下，試樣都出現了一定程度的翹邊，六邊形尖角處翹邊最大，尺寸在1 mm左右。線形條件下沒有出現翹邊現象，線形填充本質上是矩形支撐打印，相當于四邊形填充，從結果可以看出，隨著填充圖案邊數的增加，翹邊現象更加明顯。

圖1 不同填充方式下試樣邊角翹邊情況

2.2 不同打印速度下邊角翹邊情況

針對扁平試樣，選取了30 mm/s、60 mm/s兩個打印速度研究邊角翹邊情況，如下頁圖2所示。在30 mm/s打印速度下，試樣邊角處并未出現翹邊現象，與工作臺底板接觸良好。當設定打印溫度在60 mm/s時，出現了輕微的翹邊，并不明顯。噴嘴擠出絲材之前，還需要對材料進行預熱。隨著打印速度加快，在與底板接觸材料層還沒有完全與工作臺貼紙粘貼牢固的前提下，直接與下一層已經預熱材料相黏接，久而久之，試樣邊緣相較于中間冷卻時間縮短，造成邊緣發生輕微的翹邊，5 mm厚的寬體凸臺翹邊尺寸在1 mm以內。

圖2 不同打印速度試樣邊角翹邊情況

2.3 不同打印溫度下邊角翹邊情況

寬扁平試樣在不同打印溫度下條件下，底面邊角翹邊情況如圖3所示。當打印溫度設置為190℃時，可以發現試樣邊緣嚴重變形，伴隨有一定程度自外向內的扭曲，而且邊緣翹邊現象明顯。提高打印溫度至210℃，變形情況不再出現，邊緣未出現翹邊現象。打印溫度的升高有效解決了邊緣翹邊問題。在打印過程中，為了提高底面表面質量，同時避免邊緣尖角翹邊現象的發生，在底面附加打印一層底板，底板本身比樣件更薄更寬，當打印溫度在230℃時，發現底板與工作臺底面接觸牢固，樣件邊緣在底板上也未發生翹邊現象。

圖3 不同打印溫度試樣邊緣翹邊情況

3 結論

本文以航空鈑金件作為目標件創建實驗樣本模型，此類零件典型特點是扁、平、寬、長。選取了填充方式、打印速度、打印溫度三個常用工藝參數進行實驗，研究了不同工藝參數對試樣邊緣邊角翹邊的影響如下：

1）通過實驗發現，填充方式、打印速度、打印溫度對試樣邊角翹邊均產生一定的影響，尤其是打印溫度對邊角翹邊的影響顯著。

2）填充方式影響試樣邊角翹邊，通過對試驗結果分析可以得出，各種填充方式的影響順序如下：三角形＜線形＜六邊形，填充形狀角邊越多，越容易對邊角翹邊造成影響。

3）實驗過程中發現，在打印速度上，30 mm/s打印下比60 mm/s試樣成型質量更高，速度越快越容易產生邊角翹邊。

4）打印溫度的設定是保證試樣成形質量的關鍵，從實驗結果可知，190℃并不是PLA打印的理想溫度，試樣很容易發生變形、邊緣翹邊。調節溫度至210℃能夠顯著降低邊緣翹邊現象的發生率，實驗中也未發生翹邊。但是打印溫度不能太高，230℃依然能保證試樣成形質量的前提下，可以在試樣底面設置底板一起打印，底板的設置并不會造成邊緣翹邊，同時還能提高試樣底部表面質量。