噴頭溫度及材料對3D打印精密的影響

張香月，秦廣，屈祥如，文迪，王榮敬

（成都理工大學核技術與自動化工程學院， 四川 成都 610059）

1 噴頭溫度影響

在FDM加工過程中，噴頭的影響是必須引起注意的要素之一，重點體現在:實際尺寸比設計尺寸大。在STL格式分層時，其分層所用的廓線是理想廓線形態，即寬度為0[1]，但是在模型打印的進程中，噴頭所噴出的半液態絲必然是有特定寬度的，這寬度就等于半液態絲的剖面直徑，因此當噴頭沿著理想廓線開始掃描時，最后打印完畢的模型必然會多出一個噴頭吐絲的寬度[2]。此種偏差可以在建立CAD模型時，對其作尺寸補償來消除，但是噴頭噴出的絲寬在打印進程中會伴隨著擠出速度和填充速度等要素的改變而出現偏差，因此要準確對其補償并不容易。

FDM系統的噴頭內腔的溫度，即擠出機的溫度，此溫度值的大小直接關乎打印原料的流動性和黏結性以及絲寬。這不僅影響加工精密度，也對加工過程的連續性和零部件的物理特性有一定的影響[3]，見圖1。

圖1 不同溫度制品微觀截面

2 PLA材料下噴頭溫度研究

本實驗所采用的是PLA，這種材料的熔點為190～210℃，材料所建議的打印溫度為200～250℃。故當溫度高于250℃時，PLA材料容易出現被分解的情況，經噴頭噴出之后變成液滴形態，所以其流動性增強，絲寬變得細小，導致成型不準確，見圖2。當溫度低于190℃時，材料不能完全變成熔融狀態，材料的黏接性變大，擠出速度降低，流動性變弱，擠出部分的機構載荷增加[4]，故而引起噴頭吐絲不流暢，又因為送絲機構接連不斷地送絲，從而導致管道和噴頭出現堵塞的情況，即使吐絲成功噴到了工作平臺上，也會因為溫度的不準確出現層與層間的剝離現象。因此，溫度的正確控制把握是極其重要的[5]。

FDM系統的噴頭具有很多的功能。其中包括原料的供應、材料的受熱變成熔融態、材料的擠出、擠出的絲寬、移動速度等。從溫度控制的基點出發，再由熱傳導過程和噴頭的機構和性能可以得到這個論斷：PLA的熔點溫度最低為190℃，最高為210℃，因此為了確保打印過程的連續進行，就必須要保證噴頭的溫度恒定，由實驗得出最佳溫度為200℃左右，如表1所示。

表1 噴頭溫度為變量時打印產品狀況

3 材料收縮的影響

在FDM成型進程中，原料會出現收縮現象，導致成型零件的理想尺寸和實際尺寸不一致。因此，當CAD建立模型階段，就要對其尺寸作收縮補償，不然就會使得模型最終的精密度出現嚴重偏差。但是原料的實際收縮是會被其形態、尺寸、打印時的工藝參數設置和單層打印時間等要素影響或相互限制的，所以原料收縮補償是需要視收縮速率和實況而確定的。

圖2 噴頭溫度過高時的打印模型

FDM工藝所使用的原料大多為ABS，對于此種熱塑性材料，快速成型中需要經過受熱熔融、擠出成型和冷固這三個過程，成形進程中原料要出現兩個相變過程：一是由固狀絲材經加熱后變成熔融態，再就是由熔融態通過噴嘴噴出到工作平臺上冷凝成固態。在從固態—熔融態—固態的物變進程中，原料會在冷固進程中產生收縮現象，其收縮體現在兩種變化上：熱收縮和分子的取向收縮[6]。

這是成型零部件初中尺寸偏差和翹曲變形的關鍵因素。原料熔融之后體積迅速擴張，在后面的冷固進程中出現收縮現象，導致模型的內部和外面的實際輪廓產生偏差，從而出現尺寸上的偏差。在打印過程中，隨著成型原料在受熱熔融和冷卻凝固原料相變時引起體積收縮而使得內應力聚集，當應力上升到特定數值時就會產生應變，從而發生翹曲變形現象。

X、Y水平面的收縮跟Z向的尺寸收縮率是不一致的，這是因為高分子原料的取向不同導致的。打印時，在填充方向上，熔融態的高分子拉伸，又在之后的冷固過程中出現收縮現象，故分子取向導致模件在X、Y平面的收縮率大于Z向。

4 結論

本實驗所得到的數據除了材料不同作為因變量之外，其余實驗均使用的是同一種材料，即PLA（迪門迅）白色材料。本次實驗得出的結果僅適用于MakerBot Replicator Z18 3D打印機，其他型號的3D打印機不一定能得出此結論。

以本次實驗為例，得出如下結論：噴頭溫度如果設置數值越小，就會產生打印失敗的情況；如若設置過高，雖然能打印出產品，但表層會出現黃色的斑點，從而導致粗糙度極高，所以噴頭溫度值設置在200℃左右最佳。