熔融沉積成型零件精度及機械性能研究

劉曉彤 王琬

【摘要】筆者對國際國內近年來融融沉積成型零件的精度與機器特性實施研究，從設施、原料、工藝、參數虛擬等層面實施解析，為該科技的深度發展提供一定的參考依據。

【關鍵詞】熔融沉積;成型部件;精度;機械特性;研究

有鑒于CAD/CAM科技的快速成型科技近年來業已發展為社會與科學界的熱議課題。該科技是使用CAD模型帶動，透過特殊原料逐層深入的模式來制造三維物理模型的前衛制作科技。整個商品制作流程沒有使用模具，使用電腦三維實體建模或模具就能夠直接打印，所以能夠完成商品的迅速制作。

一、熔融沉積迅速成型層面的研究成績

FDM工藝的成型原料應具備既定的彎曲強度、壓縮強度與拉伸強度;原料的伸縮率要低;確保各層間有充足的粘連強度。

在我國，北京航空航天院校對短切玻璃纖維強化ABS復合原料實施了改性研究。其透過摻加短切玻纖、一定量的增韌劑與增溶劑，提升ABS的剛度、硬度與柔韌性，并減少ABS伸縮的幾率，讓成品的變形能夠被控制。北京太爾時代企業透過與國際上聞名的化工商品供貨商形成戰略伙伴關系，于2005年給出高特性的FDM成型原料ABS04，和美國Stratasys企業產出的ABS

P400特性類似，有著形變可控、柔韌性佳的特征，適于裝配檢測，能夠取代進口原料，減少生產成本。近年來，華中科技學院研究了改性聚苯乙烯原料。

國際方面，1998年澳洲的Swinburne工業學院研發了一類金屬-塑膠混合原料，能夠使用FDM科技的項目原料PC。使用該原料產出的原型能夠超越ABS注塑成型的剛度。然后，又研發出兼容FDM科技的工程原料PPSF，其有著高度的耐熱功能、強韌性與耐腐蝕特性。之后，又研發出工程原料PC/ABS。PC/ABS融合了PC的剛度與ABS的柔韌性，特性更佳。

二、熔融沉積成型部件精度工藝研究

在成型以后，噴嘴流出的熔融態PLA原料具備既定的寬度，如果噴嘴順著理想輪廓掃描時。從純理論的視角來分析，最后成型的部件相較于原始的CAD設計模型多出一塊，這對部件的尺寸進度會造成負面效應。在和Makerbot Replication 2配置的參數軟件Make

Ware中，最佳輪廓線的補償都和噴頭的內徑有直接關系，常規的方法是把補償數據預設成噴頭內徑的1/2.但是，熔融態原料的流出被多類元素左右。例如噴頭內徑、擠壓速率、成型原料的粘性數據等。所以，僅權衡到噴頭內徑的1/2的尺寸，還無法映射具體的補償量，還必須研究它類元素對補償量的作用。筆者構建了成型部件最忌輪廓線寬補償模型。然而此模型僅能“照顧”到水平位置，無法把成型位置對尺寸精度的影響算在內。

（一）成型位置上最佳輪廓線寬補償模型。

為了縮減噴頭把溫度傳導到部件已成型完成的端面，預防該部門局部熔融，噴頭外層通常創設成圓錐狀，讓底部的面積能夠越小越好，而把其內孔預設為圓柱狀，方便對熔融態的PLA纖維材料被順利流出，噴頭剖面放大的見圖間圖1。

圖1?噴頭剖面圖筆者所運用的成型原料是聚乳酸，其隸屬高分子聚合物，是一類熱塑性原料，依照其特征能夠發現，其是粘彈力原料。如果處于熔融態的PLA原料從噴頭中溢出，原料自身的氣溫要高于當日外界氣溫，PLA原料在掙脫噴頭的束縛后，因為PLA溶體的彈性功能，流出原料會立刻脹大，在氣溫階梯的影響下優惠快速凝結，導致PLA絲的內徑要較噴頭內徑為大。假定PLA絲從噴頭流出后沒有受到束縛，那么其心態是圓柱狀，然而在熔融沉積的階段，PLA絲被噴頭與部件已成型部門的束縛，流出的PLA絲并非圓柱狀，而是體現出很想圓柱狀的不規則情狀，其實際形狀受到擠壓速率、掃描填充速率、噴頭氣溫、環境氣溫、原料伸縮等很多元素的作用。使用掃描電子顯微設備觀察成型部件的端面形態發現，PLA絲的情狀類似于橢圓狀。

（二）熔融沉積成型部件機械特性研究

此處僅闡述彎曲實驗。

彎曲實驗通常用以測試原料在售彎曲荷載時彎曲強度與形變量的數據，是商品品質管控、設計與選材的關鍵參考數據。彎曲強度是原料承擔垂直作用于其縱軸上彎曲載荷的功能數據，彎曲載荷所形成的應力是壓縮應力與伸縮應力的合力。

彎曲實驗亞歐兩類加載模式——三點屈伸與試點屈伸實驗，筆者對實驗樣本實施三點屈伸實驗。三點屈伸，p是施加負荷，l是實驗樣本尺寸、L是支座間的長度。把實驗樣本置于兩個支座上，在兩個支座核心中施與負荷，讓樣本形變到既定撓度是的極大屈伸應力叫做抗彎強度。

圖2?樣本實驗圖本實驗根據所預設的正交實驗方案完成，實驗樣本的三維模型也已經獲得。使用微機管控電子萬能實驗設備對實驗樣本實施三點屈伸實驗。負荷施加速率是2mm/min，跨距L是30毫米。把實驗所得的屈服負荷代進算式內能夠獲得抗彎強度σf，實驗結論也已經獲得。當中，σf是抗彎強度;P是實驗樣本所承擔的最大彎曲負荷（斷裂負荷、屈服負荷、或定撓度負荷）;b是實驗樣本寬度;h是實驗樣本厚度。

三、結語

快速成型科技是新式的制造工藝，目前已經被推廣使用于工業造型、機器制作、航空航天、建筑、醫學、文化藝術等行業。熔融沉積成型是快速成型工藝的一類景點的成型技術。因為其造型設施簡便、成本可控、成型原料被推廣使用與成型階段對生態友好等優勢，有著極強的市場潛力。但是，因為受到成型理論、成型體系、成型工藝數據與成型原料本身特征等多層面的元素影響，熔融沉積成型部件的進度與機械特性相對很低。怎樣解決這些難題，是未來一段時間里同行業者的共同命題。

參考文獻：

[1]于純淼，張楊忠鈺，邢雨飛，等.基于熔融沉積技術的3D打印巧克力立體成型溫度研究[J].黑龍江科學，2018，9（24）：1417.

[2]許艷偉，韓正濤，高宏偉.熔融沉積成型技術桌面級3D打印機安全測試問題淺析[J].質量與認證，2018，（11）：6870.

[3]朱雪巖，張遠明，呂東喜，等.基于電磁感應加熱技術的金屬線材熔融沉積工藝研究[J].制造技術與機床，2018，（6）：138142.