熔融沉積快速成型中的工藝參數(shù)研究

徐 攀，徐 剛

(湖北工程學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，湖北 孝感 432000)

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熔融沉積快速成型中的工藝參數(shù)研究

徐 攀，徐 剛

(湖北工程學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，湖北 孝感 432000)

簡(jiǎn)述了熔融沉積快速成型的原理及特點(diǎn)，以風(fēng)扇葉片為例，詳細(xì)介紹了熔融沉積成型機(jī)的使用方法，分析了成型工藝中各種參數(shù)，尤其是成型方向?qū)Τ尚徒Y(jié)果的影響，指出了應(yīng)注意的主要事項(xiàng)，最后成功制造出一臺(tái)迷你電風(fēng)扇。

熔融沉積；快速成型；風(fēng)扇葉片；工藝參數(shù)

快速成型技術(shù)，以其成型快、工藝簡(jiǎn)單、柔性高、材料范圍廣等特點(diǎn)，大力推動(dòng)了現(xiàn)代制造技術(shù)的發(fā)展，并迅速應(yīng)用于各行各業(yè)[1]，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、產(chǎn)品制造、模具制造[2]等方面發(fā)揮著不可估量的作用。熔融沉積技術(shù)(Fused Deposition Modeling，F(xiàn)DM)是一種成本較低、較大眾化的快速成型技術(shù)，并且，對(duì)于學(xué)習(xí)3D打印的初學(xué)者來說，F(xiàn)DM成型機(jī)是一種首選的入門3D打印機(jī)。本文以桌面式FDM成型機(jī)為例，對(duì)FDM成型工藝進(jìn)行詳細(xì)介紹和分析，并制作了一臺(tái)迷你電風(fēng)扇。

1 FDM的工藝原理及工藝特點(diǎn)

熔融沉積快速成型的原理是：基于繪圖軟件建立的三維模型切片后得到的幾何信息(三維數(shù)據(jù))，由計(jì)算機(jī)控制 FDM噴頭[3]，將在噴頭內(nèi)加熱熔化的絲狀或粒狀熔融性材料(如ABS塑料)形成的熔體從噴頭的微細(xì)噴嘴中擠噴出來，噴頭沿零件CAD模型截面的輪廓和填充軌跡運(yùn)動(dòng)，材料迅速固化，并與周圍的材料粘連，一層截面加工完成后，工作臺(tái)下降一層，噴頭開始加工下一層截面，最終層層堆積出零件模型。

熔融沉積快速成型工藝的主要特點(diǎn)有：(1)成形材料廣泛；(2)不使用激光，設(shè)備成本低；(3)設(shè)備占地小，材料無毒無污染；(4)成型速度較快；(5)后處理方便。

2 FDM的工藝過程

工藝過程采用的是北京太爾時(shí)代科技有限公司生產(chǎn)的UP Plus 2桌面式快速成型機(jī)，如圖1所示。實(shí)驗(yàn)使用的打印耗材為ABS塑料，打印軟件為隨機(jī)配套軟件UP。

圖1 UP Plus 2成型機(jī)

2.1 三維建模

利用Pro/E、SolidWorks等繪圖軟件建立零件的三維模型。本文實(shí)驗(yàn)中使用SolidWorks，與其他三維CAD軟件相比，它的主要特點(diǎn)就是設(shè)計(jì)過程簡(jiǎn)單方便，熟悉Windows操作系統(tǒng)的用戶，基本上都可以用SolidWorks來進(jìn)行設(shè)計(jì)工作。

用SolidWorks創(chuàng)建風(fēng)扇葉片模型，然后將三維模型轉(zhuǎn)化為STL格式文件。在快速成型領(lǐng)域中，STL格式是最常用的一種文件標(biāo)準(zhǔn)。三維造型軟件設(shè)計(jì)的三維實(shí)體，最終都會(huì)轉(zhuǎn)化成STL格式，這種轉(zhuǎn)化是用許多小三角形近似逼近三維實(shí)體的曲面。STL文件格式把CAD模型連續(xù)的表面離散成三角形面片的集合。

2.2 成型方向的確定

將風(fēng)扇葉片的STL文件導(dǎo)入U(xiǎn)P軟件中，并選擇合適的成型方向。葉片零件的成型方向有三種選擇(圖2)，第一種方案是使葉片中心軸線平行于打印平臺(tái)，同時(shí)有兩片扇葉靠近臺(tái)面；第二種方案是使風(fēng)扇中心軸線平行于打印平臺(tái)，只有一片扇葉靠近臺(tái)面；第三種是使葉片中心軸線垂直于打印平臺(tái)。成型方向設(shè)置以后，軟件會(huì)給出估算的材料消耗和打印時(shí)間。三種不同的成型方向的數(shù)據(jù)對(duì)比如表1所示。

圖2 不同的成型方向

表1 不同成型方向?qū)Σ牧虾统尚蜁r(shí)間的影響

由表1中的數(shù)據(jù)，可知方案a是既省材料又省時(shí)的，方案c所需要的材料幾乎是方案a的3倍，是方案b的2倍。由于材料的消耗，除了零件本體的材料消耗外，還有支撐結(jié)構(gòu)[4]和襯墊的材料消耗，所以，即使是同一個(gè)CAD模型，成型方向不同，對(duì)材料的消耗量也不同。

葉片為薄片式空間結(jié)構(gòu)，必須依靠支撐結(jié)構(gòu)才能成型。而不同的成型方向，將生成不同的支撐結(jié)構(gòu)，所以才會(huì)有不同方案中材料消耗的較大差別。成型方向不僅影響支撐結(jié)構(gòu)，還影響零件的強(qiáng)度。根據(jù)分層堆積成型的原理可得，熔融沉積成型在垂直于工作臺(tái)方向的強(qiáng)度低于水平方向，所以應(yīng)該將重要的面置以平行于臺(tái)面的方向上。本實(shí)例中，若考慮強(qiáng)度因素，則應(yīng)該選用方案c。

2.3 支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)置

本實(shí)驗(yàn)中支撐結(jié)構(gòu)以及相關(guān)的UP軟件基本設(shè)置如圖3所示。

UP軟件中支撐結(jié)構(gòu)有4個(gè)基本參數(shù)：

(1)密封層指的是在支撐材料與零件實(shí)體之間的隔離層，以防止主體塌陷到支撐材料的間隙中，以層數(shù)為單位，可選2～6層。

圖3 UP打印機(jī)基本參數(shù)

(2)間隔是指支撐結(jié)構(gòu)中相鄰兩條線之間的距離。間隔應(yīng)該適中，過小會(huì)導(dǎo)致支撐結(jié)構(gòu)難以去除，過大會(huì)影響支撐效果和零件質(zhì)量，有4、6、8、10、12、15一共六種選擇方式，單位是線寬，一般選擇系統(tǒng)默認(rèn)的8條線寬即可。

(3)面積是支撐材料在水平面投影的最小使用面積。超過此面積時(shí)，才會(huì)使用支撐，也就是說微小的突出結(jié)構(gòu)，軟件是不會(huì)生成支撐結(jié)構(gòu)的。

(4)角度一般選擇30度，這樣，對(duì)于垂直面內(nèi)懸空結(jié)構(gòu)的輪廓切線與水平方向的夾角小于30度的部分，系統(tǒng)會(huì)在零件與打印平臺(tái)之間生成支撐結(jié)構(gòu)；對(duì)于大于30度的部分，則不使用支撐。

2.4 其他工藝參數(shù)設(shè)置

(1)層片厚度，即層高。風(fēng)扇葉片屬于薄片類零件，分層厚度太小，會(huì)造成強(qiáng)度不足，在保證質(zhì)量的前提下，選擇了0.25 mm這一適中的厚度。

(2)密封表面角度和表面層厚度。密封表面就是打印底層，即在打印實(shí)體模型之前，在平臺(tái)與實(shí)體之間先打印若干層，減小系統(tǒng)的開啟延遲對(duì)打印的影響。密封表面角度是指襯墊的角度，如果角度小于設(shè)定值，添加襯墊，一般系統(tǒng)默認(rèn)45度。

(3)填充。UP軟件中的填充不是數(shù)字化的百分?jǐn)?shù)，而是選擇圖形化的四種不同填充率。

參數(shù)設(shè)置完成后點(diǎn)擊軟件中的“打印”按鈕就可以開始打印了。

2.5 成型結(jié)果分析及打印后處理

當(dāng)模型打印完成后，打印機(jī)會(huì)發(fā)出蜂鳴聲，平臺(tái)下降，噴嘴和平臺(tái)停止加熱。我們對(duì)三種不同成型方向的方案分別進(jìn)行了成型加工，最終完成的零件如圖4所示。從圖4中可以清晰的看出成型方向?qū)τ谥谓Y(jié)構(gòu)和材料消耗的影響。因此，在選擇成型方向時(shí)，應(yīng)該在保證成型質(zhì)量的前提下，選擇支撐結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、材料消耗少、方便去除的方案。

最后，戴上隨機(jī)配套的手套，松開平臺(tái)周圍的固定彈簧，轉(zhuǎn)動(dòng)到底部，輕輕取出平臺(tái)，用鏟刀輕輕敲擊模型底部，來回撬松模型，移除模型；利用工具，去除支撐，打磨修平，得到風(fēng)扇扇葉；去除支撐后得到的成品，配上電機(jī)及底座即可制成一臺(tái)迷你小風(fēng)扇，如圖5所示。

圖5 組裝完成的小風(fēng)扇

3 結(jié)語

FDM成型過程看似簡(jiǎn)單，實(shí)則有許多需要注意的問題。從CAD建模、成型方向的選擇、工藝參數(shù)的設(shè)置到后續(xù)處理工作等，任何一個(gè)細(xì)節(jié)的疏忽都可能造成材料的浪費(fèi)或成型的失敗。本文以風(fēng)扇葉片成型實(shí)驗(yàn)為例，詳細(xì)介紹了FDM工藝流程，解釋說明了一些重要概念，最后成功制造出實(shí)物，具有一定的指導(dǎo)和借鑒意義。

[1] 孟婷婷，孔慶玲．熔融擠壓快速成型技術(shù)在制造業(yè)中的應(yīng)用[J]．黑龍江科技信息，2013，23：16-16．

[2] 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，2012：199．

[3] 黃江．FDM快速成型過程熔體及噴頭的研究[D]．包頭：內(nèi)蒙古科技大學(xué)，2014：7-15．

[4] 許開國，張錦光，胡業(yè)發(fā)，等．熔融擠壓快速成型中支撐工藝的研究[J]．機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2008；27(9)：1163-1166．

(責(zé)任編輯：熊文濤)

2016-08-26

湖北省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(Q20152705)；湖北工程學(xué)院科學(xué)研究項(xiàng)目(201513)

徐 攀(1984- )，男，湖北孝感人，湖北工程學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院助理實(shí)驗(yàn)師，碩士。

徐 剛(1985- )，男，山東臨沂人，湖北工程學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院講師，博士。

TH162

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2095-4824(2016)06-0110-03