3D打印成型工藝與質(zhì)量分析

盛宗建 黃亞 宋鳳蓮

摘要：3D打印技術(shù)與傳統(tǒng)加工技術(shù)相比有巨大的優(yōu)勢(shì)，也有一定的局限性。為提高成型質(zhì)量，以 FDM技術(shù)工藝為例，分析了FDM技術(shù)成型質(zhì)量的影響因素：工藝參數(shù)如支撐角與密封角，成型基準(zhǔn)面的設(shè)置及模型的后處理。提出了提高FDM技術(shù)工藝成型質(zhì)量的方法，為3D打印成型質(zhì)量奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：3D打印技術(shù)；FDM技術(shù)工藝；成型質(zhì)量；影響因素

Analysis on of 3D Printing Technology and quality

Sheng ZongjianHuang YaSong Fenglian

Wuhan University Engineering training and Innovation practice CenterHubeiWuhan430072

Abstract：3D printing technology has great advantages and limitations compared with traditional processing technology.In order to improve the quality of the molding and take FDM technology as an example，the influencing factors of the forming quality of FDM technology are analyzed：process parameters such as support angle and sealing angle，setting of molding datum surface and post processing of model.The improvement of FDM technology is put forward.The method of molding quality lays the foundation for the quality of 3D printing.

Key words：3D printing technology FDM technology；molding quality；influencing factors

1 概述

3D打印技術(shù)是以機(jī)械技術(shù)、數(shù)字技術(shù)、材料技術(shù)和信息控制技術(shù)為依托，只需三維數(shù)字模型，便能制造出任意復(fù)雜結(jié)構(gòu)零部件的快速成型技術(shù)。其最突出優(yōu)點(diǎn)是不需要任何刀具和模具，便能利用3D打印設(shè)備進(jìn)行零件的三維成型。

3D打印技術(shù)目前有七種成型工藝，分別是熔融沉積成型工藝（FDM）、箔材粘結(jié)成型工藝（LOM）、粉末燒結(jié)成型工藝（SLS）、光固化成型工藝（SLA）、粘結(jié)噴射成型工藝（3DP）、材料噴射成型工藝和定向能量沉積成型工藝。[1～3]FDM工藝，因成型過(guò)程無(wú)毒無(wú)味，操作環(huán)境干凈，在教育、文創(chuàng)、建筑及醫(yī)療領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛。

FDM技術(shù)成型工藝過(guò)程如圖1所示，由設(shè)計(jì)CAD三維模型、三維模型的近似處理、STL文件的分層處理、造型工藝參數(shù)設(shè)置及后處理構(gòu)成。FDM設(shè)備成型原理是利用工程塑料在噴頭中被加熱融化，熔融材料從噴頭底部的噴嘴中擠出，在計(jì)算機(jī)控制下，噴頭擠出材料并沿零件截面輪廓運(yùn)動(dòng)，同時(shí)與上一層擠出的材料粘接并在空氣中迅速固化，如此循環(huán)便可形成實(shí)體零件。[4]

2 FDM技術(shù)成型工藝與質(zhì)量分析

3D打印成型件的質(zhì)量一直是FDM技術(shù)的關(guān)鍵所在，在整個(gè)零件三維成型過(guò)程中，針對(duì)各個(gè)成型工藝參數(shù)對(duì)成型質(zhì)量的影響進(jìn)行分析。

2.1 工藝參數(shù)設(shè)置

影響FDM成型質(zhì)量的工藝參數(shù)有很多，如：填充速度、填充率、層厚、打印溫度、平臺(tái)溫度、噴嘴直徑、打印速度等工藝參數(shù)，其中打印溫度、打印速度及層厚是決定成型精度的三個(gè)關(guān)鍵要素，三要素之間的合理匹配是獲得高精度成型件的關(guān)鍵。需要指出的是，打印溫度是指噴頭的加熱溫度，是決定噴頭能否順利擠出的非常關(guān)鍵參數(shù)。基于FDM成型材料的不同物理性能，噴頭溫度必須保持稍高于成型材料的融化溫度，確保成型材料達(dá)到時(shí)順利熔化。

2.1.1 支撐角度與成型角度設(shè)置

支撐角度是指支撐面法線方向與成型方向之間的夾角（一般為10°～80°）；密封角是指密封面法線方向與成型方向之間的夾角（一般為30°～60°）。支撐角與密封角如圖2所示。[5]

密封角度設(shè)為45°，支撐角度設(shè)定為60°和30°，成型仿真模型如圖3所示。

支撐角為60°時(shí)，支撐區(qū)大于模型底部密封區(qū)，支撐對(duì)模型底部密封層及側(cè)面密封層起支撐和保溫作用，防止了模型出現(xiàn)凹陷。模型底部表面密封層平整，支撐穩(wěn)固。支撐角為30°時(shí)，支撐區(qū)小于模型底部密封區(qū)，使得打印支撐區(qū)邊緣對(duì)應(yīng)的底部密封表面打印時(shí)收縮，模型底部表面密封層可能存在凹凸不平整及支撐區(qū)邊緣出現(xiàn)凹陷。工藝參數(shù)與技術(shù)經(jīng)濟(jì)性見(jiàn)表1。

由上表可知支撐角越大，打印模型消耗的材料多，打印效率低。在打印質(zhì)量要求不是很高的情況下可以適當(dāng)減小支撐角，以降低成本，提高效率。

2.1.2 成型基準(zhǔn)面的選擇

成型基準(zhǔn)面的選擇好壞直接影響到模型的打印質(zhì)量和打印效率以及制造成本。以下是一個(gè)多面體的模型有A、B、C三個(gè)平面，如圖4所示。這三個(gè)平面都可以作為模型的基準(zhǔn)打印平面，如圖5所示。

對(duì)于同一個(gè)模型在密封角和分層厚度一定的情況下，不同的支撐角，不相同的成型基準(zhǔn)面打印出模型效率和耗材各不相同，如表2所示。

由上表可以看出，要想獲得低材耗、高效率、高質(zhì)量的打印模型，需要合理選擇支撐角度和成型基準(zhǔn)面。

2.2 后處理

3D打印完成以后還需要進(jìn)行相應(yīng)的后處理工序。常用物理法和化學(xué)法。物理方法一般包含：對(duì)支撐結(jié)構(gòu)的機(jī)械剝離如圖6所示，對(duì)成型件進(jìn)行表面處理如打磨、拋光、修補(bǔ)；化學(xué)法是用一些有機(jī)溶劑與成型材料進(jìn)行有機(jī)反應(yīng)，生成表面光潔度較高的另一種物質(zhì)，能夠改善FDM工藝成型件的表面質(zhì)量差的問(wèn)題。現(xiàn)在比較成熟的FDM成型材料主要是工程塑料PLA和ABS。對(duì)于ABS材料，一般用丙酮蒸汽熏蒸，通過(guò)控制反應(yīng)的時(shí)間來(lái)改善其表面質(zhì)量。而PLA材料則是使用氯仿溶液浸泡的方法，處理過(guò)程中需要嚴(yán)格控制浸泡時(shí)間的長(zhǎng)短，以取得滿意效果。無(wú)論是采用化學(xué)法還是物理法都會(huì)帶來(lái)一些新的尺寸誤差，這些誤差會(huì)嚴(yán)重影響成型件的尺寸精度，這也是不可忽略的。[67]

圖6 處理前模型（a）處理后模型（b）

3 提高FDM技術(shù)成型質(zhì)量的方法

鑒于FDM過(guò)程中各階段的誤差對(duì)制件成型質(zhì)量的影響，提高制件成型質(zhì)量是FDM技術(shù)必然需求。在模型處理前期，采用對(duì)CAD實(shí)體模型直接進(jìn)行切片的方法消除因STL文件格式所導(dǎo)致的截面輪廓線誤差以得到精確完整的實(shí)體截面輪廓線。改進(jìn)切片算法，優(yōu)化切片過(guò)程，消除因切片可能導(dǎo)致輪廓線不清、輪廓冗余等問(wèn)題。在構(gòu)造模型時(shí)盡可能地避開(kāi)斜面的設(shè)計(jì)。

（1）設(shè)置合適的分層厚度以減少臺(tái)階效應(yīng)。優(yōu)化工藝參數(shù)，針對(duì)制件形狀、大小等不同，得到不同的工藝參數(shù)以更好地提高成型件的質(zhì)量和精度。

（2）注意模型在切片時(shí)的擺放方向和位置，優(yōu)化結(jié)構(gòu)，避免過(guò)多的支撐，提高成型質(zhì)量，同時(shí)提高構(gòu)件的成型效率。

（3）選擇合適后處理工藝，防止刮傷工件，以保證制件的精度。

4 結(jié)語(yǔ)

FDM技術(shù)因工藝環(huán)保且成本低廉，將隨著3D打印的發(fā)展應(yīng)用領(lǐng)域日益拓寬。影響FDM技術(shù)3D成型質(zhì)量的因素很多，其影響又是多方面的，只有將合理匹配的工藝參數(shù)與成型材料進(jìn)行統(tǒng)籌考慮，才能整體提高3D成型件的質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)：

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