基于桌面級3D打印機面包板清洗工藝的研究*

童和平，張香紅，張 洲

（廣東開放大學(xué)，廣州 510091）

0 引言

FDM熔融擠壓快速成型技術(shù)是3D打印技術(shù)使用最為普遍的技術(shù)，得到了許多科研機構(gòu)和高校學(xué)者的青睞，是近來發(fā)展最為熱門的先進(jìn)制造技術(shù)之一。FDM 熔融擠壓快速成型技術(shù)具有設(shè)備成本低、制造效率高、工作環(huán)境要求低及可加工傳統(tǒng)工藝無法加工的零件等優(yōu)勢，使得FDM 3D打印技術(shù)在機械制造、工業(yè)設(shè)計及文化創(chuàng)意等多方面的應(yīng)用越來越廣[1-3]。

我國在20 世紀(jì)80年代末開始發(fā)展3D 打印，高校中以清華大學(xué)、華中科技大學(xué)、西安交通大學(xué)為代表，這些高校重點從3D打印機的結(jié)構(gòu)、固化成型方式、打印耗材研發(fā)以及打印工藝等4 方面研究3D 打印機，并且已經(jīng)達(dá)到公認(rèn)的世界水平。由于桌面級3D打印機上起承載作用的面包板會附著很多ABS、PLA 塑料聚合物，并且很難除去，進(jìn)而影響3D打印精度和實體端面的平整度[4-6]。本文重點研究桌面級3D 打印機面包板清洗的工藝。便攜式3D 打印機如圖1所示。

圖1 便攜式3D打印機

1 桌面級3D打印機面包板存在問題

1.1 面包板網(wǎng)孔附著耗材污漬

FDM 熔融沉積成型打印機是運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體，當(dāng)打印實體結(jié)束之后，都需要將模型從面包板鏟下來。由于支撐底座和面包板接觸緊密，3D打印機上起承載作用的面包板會附著很多ABS、PLA塑料聚合物，如圖2所示。此需要用專用的鐵鏟工具將模型從面包板上面底部鏟出，并且很難除去，而且面包板表面經(jīng)常難以徹底清潔干凈，會造成下一個打印的工件底部不平，也會影響3D打印精度和實體端面的平整度。

圖2 面包板上的附著物

1.2 面包板附著物導(dǎo)致的產(chǎn)品打印質(zhì)量

在熔融沉積成型過程中,耗材經(jīng)歷了由固態(tài)到熔融再到冷卻固化3個階段。在這一過程中由于材料體積收縮而產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力會造成原形的整體變形、翹曲甚至分層。因此，一般室內(nèi)使用桌面級3D打印機打印模型的時候，翹曲變形現(xiàn)象難免發(fā)生。而在其他快速成型工藝中,翹曲變形現(xiàn)象也普遍存在,進(jìn)而影響3D打印表面質(zhì)量和實體端面的平整度，如圖3所示[7-8]。

2 面包板清洗原理流程

2.1 工藝原理

基于上述問題，試驗了一種基于桌面級3D打印機面包板清洗的工藝路線。首先將面包板置于高溫箱加熱到270 ℃，使溫度達(dá)到面包板附著物的熔點；然后用鑷子將其取出，迅速用樹脂清洗劑清洗，這是利用相似相容原理，樹脂清洗劑主要成分是陽離子型和非離子型表面活性劑、兩性表面活性劑，專門用于有樹脂材料的清潔維護(hù)；其次，將面包板放置于可加熱的超聲波清洗機中，以便去除空隙中的細(xì)微雜粒；最后，用無水乙醇清洗面包板表面，使其變得光亮。桌面級3D打印機面包板清洗原理流程如圖4所示。

圖4 面包板清洗原理流程圖

2.2 工藝流程

桌面級3D打印機面包板清洗工藝流程具體步驟為：

（1）用鑷子取一面包板，并將該樣件置于高溫箱內(nèi)加熱15 min，設(shè)置溫度270 ℃；

（2）加熱結(jié)束后，用鑷子將其取出，并迅速將沾有樹脂清洗劑的清潔棉花用力擦試面包板，直到肉眼看不到面包板表面的附著物；

（3）清洗劑擦拭后，再用去離子水（純凈水）沖洗面包板，來回沖洗3遍；

（4）沖洗后，再將樣品放入可加熱的超聲波清洗機中，設(shè)置溫度80 ℃，超聲清洗15 min，此步驟目的是為了去除面包板空隙中的細(xì)微雜粒；

（5）超聲波震蕩后，將樣品再次置于高溫箱二次加熱5 min，設(shè)置溫度為270 ℃；

（6）加熱結(jié)束后，用鑷子將其取出，并將沾有無水乙醇的棉球擦拭樣件，此步驟既可去除剩余細(xì)微顆粒，又可潔凈樣品表面。

3D打印機面包板工藝清洗儀器用品如圖5所示。

圖5 3D打印機面包板工藝清洗儀器用品

2.3 清洗前后對比

本課題是基于機械與自動化工程系重點實訓(xùn)室設(shè)備在使用過程中遇到的問題而展開的研究，且市場上沒有專門用于清洗這些附著物的清潔劑，試驗的面包板清洗工藝路線是基于現(xiàn)有實訓(xùn)室的桌面級3D打印機，試驗證明，該清洗工藝可以提升3D打印精度和實體端面的平整度，圖6所示為3D打印機面包板清洗前后對比圖，實際使用效果較好。

圖6 3D打印機面包板清洗前后對比圖

3 工件試驗表面質(zhì)量分析

根據(jù)FDM 3D 打印機成型原理，工件是在面包板上生成的，面包板主要起到支撐和穩(wěn)固模型的作用。每次打印結(jié)束后，面包板上面都附著很多的ABS 耗材，如果沒有進(jìn)行完全的清洗，這將會導(dǎo)致模型的支撐層會不平整。在這一過程中由于材料體積收縮而產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力會造成原形的整體變形、翹曲甚至是打印中斷，進(jìn)而影響3D打印表面質(zhì)量和實體端面的平整度。圖7（a）所示為面包板附著物未清洗干凈情況下打印的工件，圖7（b）所示為面包板表面清洗干凈后打印出來的工件。

圖7 面包板清洗干凈前后打印出的工件

4 結(jié)束語

本研究是基于單位重點實訓(xùn)室設(shè)備在使用過程中遇到的問題而展開的研究，且市場上沒有專門用于清洗這些附著物的清潔劑。試驗證明：本研究清洗工藝流程可以較好地清理現(xiàn)有面包板附著物，且清洗工藝流程操作簡單，實用性強，實際使用效果較好，光整的面包板可以提升3D打印精度和實體端面的平整度，具有較好的實際指導(dǎo)意義。