FDM變重力成形試驗研究*

王 震，李秀杰，鞏維艷，祁俊峰

(北京衛星制造廠有限公司，北京 100094)

增材制造技術(又稱3D打印技術)給空間任務執行和資源保障模式帶來了突破性改變。其特點是可以滿足應急維修保障、實驗支持及有效載荷制造等在軌需求[1]。空間制造能力對太空探索具有重要意義，空間3D打印是實現空間制造的一項關鍵技術[2-4]。FDM(Fused Deposition Modeling)是目前3D打印技術中空間應用成熟度最高的成形方式，美國Made In Space公司已在國際空間站運用該技術成功打印出ABS扳手[5-7]。目前，國內對FDM空間應用的研究尚處于地面模擬試驗階段，關于太空微重力環境對3D打印工藝的影響尚不清楚，因此開展地面模擬試驗，研究重力對FDM成形過程的影響至關重要。

對于微重力環境的模擬試驗，通常采用拋物線飛行法、落塔試驗法、懸浮法和懸吊法等。其中，落塔試驗每個下落周期的微重力時間僅為3～4 s，如此短時間內很難開展有效的空間FDM模擬工藝試驗；懸浮法與懸吊法通常以太陽翼或天線等為對象，以多處點線的支撐或懸吊來抵消整體結構的重力作用，該方法無法對微重力場進行模擬[8-11]；對于拋物線飛行法，目前，我國尚不具備開展該試驗的保障能力。因此，綜合考慮成本和易操作性等因素，本文采用變方位FDM增材制造的間接試驗方法，從側面研究重力變化對FDM成形過程的影響。

1 試驗條件及方法

1.1 試驗條件

參照GB/T 1040—2006、GB/T 9341—2008、GB/T 1041—2008和JC/T 773—2010，利用自主研發的空間FDM原理樣機打印PLA材料的標準試樣。力學性能測試采用型號5567的萬能試驗機進行。

為避免其他因素對研究結果的影響，保持不同方位下打印參數一致。設定打印溫度為220 ℃，每層打印厚度為0.1 mm，打印速度為70 mm/s，填充率為100%，其他參數選擇設備默認值。

1.2 試驗方法

重力對FDM成形過程的影響主要表現為擠出方向上重力變化引起的效應。盡管地面上試驗設備、試樣處于重力作用的狀態下，而不是失重(微重力)狀態，但擠出方向上重力變化是可以實現的。為了表征重力方向對FDM熔體沉積效果的影響，采用調整打印機擺放角度α營造不同的重力環境，改變PLA沉積方向來進行變重力成形試驗，間接分析空間微重力環境對FDM成形過程的影響。成形示意圖如圖1所示，其中，F為材料層間結合力，G為重力，重力在推壓擠出方向的分力是Gcosα。

圖1 變重力成形示意圖

2 試驗結果及分析

2.1 成形質量分析

將打印機分別按照水平、倒置180°、水平狀態旋轉15°和倒置狀態下旋轉15°等4種狀態擺放(見圖2)。

圖2 打印機4種擺放狀態圖

在4種擺放狀態下，試樣分別在+G、+Gcos15°、-Gcos15°和-G等4種重力環境下打印成形。在+G環境下，即設備正向放置狀態下，試樣依靠F+G成形；在+Gcos15°環境下，即設備正向放置時，將設備傾斜15°，試樣依靠F+Gcos15°成形；在-Gcos15°環境下，即當設備倒向放置時，將設備傾斜15°，試樣依靠F-Gcos15°成形；在-G環境下，即當設備倒向放置時，試樣依靠F-G成形。

2.1.1 不同重力下表面質量分析

4種重力環境下成形試樣的表面質量和端面質量對比圖如圖3和圖4所示。由圖3可以看出，試樣表面質量在+G環境下最好，-G環境下次之，Gcos15°環境下較差，-Gcos15°環境下最差；在+G環境下和-G環境下成形的試樣整體表面紋路細致均勻，表面光滑，試樣輪廓規則。由圖4可以看出，+G環境下試樣兩端翹曲現象不明顯，-G環境下成形試樣一端輕微向上表面翹曲；+Gcos15°和-Gcos15°環境下成形的試樣表面紋路較深，表面粗糙，試樣兩端均有明顯翹曲現象發生，打印停止端比另一端翹曲更為明顯，上下表面輪廓較大，打印停止端部分試樣有明顯多余積料。

圖3 試樣表面質量對比圖

圖4 試樣端面質量對比圖

2.1.2 不同重力下尺寸精度分析

不同重力下尺寸精度分析如下。

1)在+G和-G環境下，成形試樣輪廓規則，成形精度較高。長度尺寸150 mm內尺寸偏差集中在0.1 mm之內，個別試樣在0.2 mm，寬度尺寸10 mm內尺寸偏差集中在0.2 mm之內，打印試樣厚度一致性較高，試樣厚度尺寸集中在(4±0.1) mm。

2)在+Gcos15°和-Gcos15°環境下，成形試樣輪廓一致性較差，尺寸偏差較大。長度尺寸150 mm內尺寸偏差集中在0.2 mm，寬度尺寸10 mm內尺寸偏差集中在0.3 mm之內，打印試樣厚度穩定性低，厚度4 mm的試樣尺寸偏差集中在0.2 mm，局部偏差達到0.4 mm。

2.2 力學性能分析

4種重力環境下成形試樣的抗拉強度、彎曲強度、壓縮強度和剪切強度對比圖分別如圖5～圖8所示。

圖5 試樣抗拉強度對比圖

圖6 試樣彎曲強度對比圖

圖7 試樣壓縮強度對比圖

圖8 試樣剪切強度對比圖

由圖5可以看出，在+Gcos15°環境下試樣抗拉強度最高，-Gcos15°環境下次之， +G環境下試樣抗拉強度比-G環境下略高；傾斜狀態下打印的試樣抗拉強度整體要比打印機平放狀態下打印試樣的高。

由圖6可以看出，-G與+G環境下成形的試樣彎曲強度大小基本一致，+Gcos15°環境下相比-Gcos15°環境下成形的試樣彎曲強度高；平放狀態下打印的試樣彎曲強度整體要比傾斜狀態下打印試樣的高。

由圖7可以看出，+Gcos15°、-G和+G環境下成形的試樣壓縮強度大小相近，-Gcos15°環境下成形的試樣壓縮強度最差。

由圖8可以看出，不同狀態下試樣的剪切強度相近，+Gcos15°環境下試樣剪切強度最高，-Gcos15°環境下次之，-G環境下試樣剪切強度比+G環境下略高。

3 微觀環境下FDM成形數學模型

圖9為FDM技術微觀成形示意圖。其中，D為噴嘴直徑，B為打印寬度，ΔH為單元打印高度，ΔV1為單元打印體積，ΔV2為單元擠出體積。在空間微重力或零重力環境下，噴嘴熔融擠出大小為噴嘴直徑D的球形PLA，為保證PLA能夠穩定粘接在一起，應始終保證成形過程中以層間結合力為主導，即要求打印瞬間消耗材料體積不應大于瞬間輸出材料體積，由此推算出打印層高H的范圍。

圖9 FDM微觀成形示意圖

由公式：

可以推算出：

因此，在空間微重力環境下，通過調整打印材料首層與基板間隙，精確控制每層成形高度，可以實現空間FDM技術無約束成形。

4 結語

本文開展了FDM變重力成形試驗研究，結果表明，FDM增材制造技術在不同重力環境下均具有成形標準試樣的能力。由不同重力環境下試樣性能對比分析可以得出，FDM成形主要依靠層間結合力的作用，重力對FDM成形過程的影響作用較小，層間結合力是影響PLA成形性能的主要因素；因此，在空間微重力環境下，只要保證成形過程中材料結合力發揮主導作用，FDM技術即具有在空間微重力環境下的成形能力。不同重力環境下成形的標準試樣性能有一定的差異，說明重力對成形質量具有一定的影響，而在空間微重力環境下，重力較小，對成形性能影響不大。