三維打印工藝在多容器杯制造中的應用

羅立晟，沈嘉陵

（1.武漢工程大學光電信息與能源工程學院，武漢 430070；2.武漢華科三維科技有限公司，武漢 430070）

0 引言

本文主要研究一種多容器杯杯身的成形工藝。多容器杯如圖1所示，由杯身、杯蓋、大小蓋子等組成[1]。其杯身為塑料材質，壁厚為2 mm，由于包含4 個腔室，腔室之間存在隔熱層，內部結構復雜、成形難度較大。若采用注塑成形制造，存在脫模困難的問題；采用吹塑成形制造，則吹塑毛坯制造比較困難；而采用其他塑料成形工藝，又有制品成形精度低、生產效率低等不足。由于三維打印采用離散—堆積原理制造，成形時不受產品結構形狀的限制，并且具有成形精度較高、制造周期短的優點，且多容器杯的生產批量不大，所以考慮用三維打印的方法制造此杯身。

三維打印是一種增材制造技術，是依據三維數字化模型，通過自動化技術將材料逐層累加制作三維物體的過程[2]。美國《麻省理工科技評論》將金屬三維打印評為“2018年度世界十大突破技術”第一名。經過20多年的發展，目前，增材制造技術主要有立體平板印刷（SLA）、選擇性激光燒結（SLS）、熔絲沉積成型（FDM）、分層物體制造（LOM）及三維打?。═DP）等，成形的材料有金屬材料、非金屬材料、復合材料、生物材料等[3-4]。多容器杯杯身擬采用選擇性激光燒結（SLS）技術進行成形，激光燒結原理[5-7]如下：首先在加工平面上利用鋪粉輥均勻、密實地鋪上一層粉末，形成一個微米級厚度的粉床；然后激光在預設好的軌跡上進行掃描，掃描軌跡和所加工零件的截面形狀相同，激光的熱量會使粉床上的粉末材料熔化并和之前的材料發生黏接，當一層掃描完成后，重新鋪粉、燒結，這樣就可以逐層進行成形；最后去除用于支撐的多余粉末便可以得到所需零件。

圖1 多容器杯

由于選擇性激光燒結（SLS）成形工藝“逐層燒結”的成形特點，易出現翹曲、收縮、制件力學性能差等成形缺陷，而成形工藝參數對制件的表面質量、形狀精度、強度等方面有重要影響，選擇合理的工藝參數對選擇性激光燒結成形至關重要[8]。因此，需要對多容器杯杯身的成形過程進行研究，探討成形時出現的質量問題及成形工藝參數對杯身質量的影響規律，找到合理的工藝參數，從而得到合格的制件。

1 多容器杯杯身選擇性激光燒結實驗過程

采用HKP320 成形機進行多容器杯杯身的SLS 成形，使用CO2激光器，最大功率為55 W，一次成型最大尺寸為320 mm 320 mm 650 mm，最大掃描速度為6 m/s，分層厚度為0.08～0.3 mm；成形材料為尼龍12 粉，半結晶型材料，其成形產品具有較高的強度和密度。

多容器杯三維打印成形過程為采用UG三維建模軟件在計算機上設計出多容器杯的三維模型，將三維模型進行近似處理轉換成STL 格式文件，通過切片軟件對其進行分層切片，求得每層截面輪廓，按照這些輪廓，快速成形機的激光束選擇性地燒結一層層的粉末材料，形成各截面并逐步疊加成三維產品。采用SLS工藝制造多容器杯的工藝過程如圖2所示。

圖2 SLS打印的多容器杯零件

2 成形工藝參數對制品成形精度的影響分析

成型設備、成形材料和成形工藝是影響成型件質量的關鍵因素。通過多次燒結實驗，發現影響多容器杯成形精度的主要因素有分層厚度、激光功率、掃描速度以及溫度等。成形不良品形式有臺階效應而導致的制品表面粗糙；翹曲變形、杯口橢圓形變形導致的蓋子扣不上杯身以及杯蓋不能旋入杯身、杯身強度不足而引起的破裂等。

（1）分層厚度影響

分層厚度影響制品的表面粗糙度及精度。分層厚度過大會導致制件實際輪廓和理論輪廓之間發生偏離，出現明顯的臺階效應，使制品表面粗糙度大，力學性能下降；分層厚度過薄，則會延長成形時間，使制品成本升高，同時鋪粉時粉末顆粒間容易出現團聚現象，降低粉床質量，另外制品有過燒的風險。因此，綜合考慮本杯身成形的分層厚度取為0.10 mm。

（2）激光功率影響

激光功率對制品成形質量有很大的影響。激光功率代表加工時燒結材料粉末的能量，對制品的變形和力學性能有很大影響。激光效率越小，粉末越不容易熔化，且制品強度低；激光功率大，粉末熔化良好，但功率過大，會使制品產生過燒形變。因此，本杯身成形的激光功率為25 W，約為激光器最大功率的46%。

（3）掃描速度影響

掃描速度影響制品的生產效率和成形精度。掃描速度越大，成形時間越短，效率提高，但是掃描速度過快也會使粉床溫度分布不均，使得制品的成形精度較低。在SLS 成型中，一般掃描速度和激光功率這兩個因素會相互影響，相互作用。本杯身成形選擇的掃描速度為4 m/s。

（4）溫度影響

溫度分為預熱溫度和制件溫度。預熱是選擇性激光燒結成形中一個至關重要的基礎準備，可以降低制件成形時間，提高成形效率，但過高的預熱溫度會使制件的尺寸精度降低。因此需選擇合適的預熱溫度，一般設為155～167 ℃，在此溫度區間，粉床連續鋪粉6 mm，為制件成形打下基礎，制件溫度設為167 ℃。溫度如果達不到要求，尼龍12粉末在打印成型過程中，很容易翹曲變形，導致成形品質下降乃至失敗。

采用上述工藝參數成形的杯身成形精度良好，能滿足裝配要求，如圖3所示。

圖3 采用SLS打印尼龍粉的多容器杯

3 結束語

本文利用選擇性激光燒結（SLS）成形工藝進行多容器杯杯身的制造，解決了傳統塑料成型工藝無法生產的難題。對杯身的SLS 成形過程進行實驗研究，發現影響多容積杯成形質量的主要因素有分層厚度、激光功率、掃描速度和溫度。成形后不良制品形式有臺階效應而導致的制品表面粗糙；翹曲變形、杯口橢圓形變形、杯身強度不足而引起的破裂等。通過選擇合適的工藝參數，分層厚度為0.10 mm、激光功率為25 W、掃描速度為4 m/s、預熱溫度為155～167 ℃、制件溫度為167 ℃，成功制成合格的多容器杯杯身。

三維打印技術突破了傳統的等材和減材制造技術受產品結構復雜性制約的難題，是21世紀最具前途的先進制造技術之一，也是目前智能制造體系的重要組成部分，將在各行各業得到廣泛應用。本文采用SLS快速成型技術是三維打印技術的一種先進工藝方法，是一種以激光為熱源層層疊加燒結粉狀材料的“凈成型”技術，具有不需要支撐材料、成形材料多樣化、制品綜合性能好等優點，是成形這種多容器杯復雜結構的較好方法。