基于FDM 技術3D 打印典型零件的力學性能和質量研究

馮丹艷

（廣東理工學院 智能制造學院，廣東 肇慶 526100）

0 引言

快速成型（RP）技術是由三維CAD 數據模型直接驅動的，快速制造任意復雜形狀的三維物理實體的技術總稱[1]。 目前比較成熟的技術有：薄型材料切割成型（LOM）、絲狀材料熔融成型（FDM）、液態光固化型（SLA）、粉末材料燒結成型（SLS）等十余種。其中，FDM 技術是利用熱塑性材料的熱熔性、黏性等。在計算機控制下進行層層堆積疊加，最終形成所需產品或模型[1]。FDM 成型技術應用較為廣泛，且其結構簡單、使用方便，被眾多3D 打印使用者所選擇。如果要得到較好的打印質量，必須從FDM 成型材料性能、噴頭溫度、擠出速度以及擠出速度等方面進行合理選擇。除此以外，3D 打印質量可以通過典型零件的機械性能基于Soliworksd 的simulation 仿真分析不同材料的靜應力進行判斷。在實際應用時根據具體的工況進行合理參數的選擇，即可得到滿足使用要求的3D 打印質量。

1 FDM 成型原理以及系統組成

FDM 用材料一般為熱塑性材料，如ABS、PC、尼龍等都以絲狀供料。其成型流程圖如圖1，通過CAD對零件進行三維建模，再以STL 文件數據轉換，根據零件造型實際情況進行分層切片、加入支撐，然后通過絲狀材料熔融沉積成型，得到所需產品三維模型，最后對成型模型進行表面處理。

圖1 FDM 成型流程圖

FDM 的系統包括機械系統、軟件系統和供料系統三部分，如圖2 所示。機械系統的關鍵部件是噴頭裝置。噴頭裝置的絲束被電熱棒加熱熔融狀態，并在螺桿的推動下，通過噴嘴擠出，按照計算機給定模型輪廓路徑鋪覆在工作臺上。

圖2 FDM 系統模型圖

軟件系統。FDM 工藝軟件系統包括信息處理和幾何建模兩部分。信息處理部分包括STL 文件的處理、工藝處理、圖形顯示等模塊。

供料系統。將ABS 等絲束材料纏繞在供料輥上，電動機驅動輥子旋轉，輥子和絲束之間的摩擦力能使絲束向噴頭的出口送進[1]。

2 FDM 技術及模型制件精度的影響因素

2.1 材料性能及影響因素

FDM 常用的材料有ABS、PLA、PC、蠟絲等，如表1[2]所示為基于FDM 技術3D 打印最常使用的材料。通過不同的實驗證明，我們使用不同的材料的時候，匹配不同的成型溫度、不同的收縮率以及不同的性能，將直接得到不同的成型過程及成型精度。

表1 常用成型材料[2]

2.2 噴頭溫度的恰當設定及影響因素

基于FDM 技術的3D 打印材料的絲材流量、堆積性能、擠出絲寬度以及黏性，主要是由使用噴頭的溫度決定的。如果使用噴頭的溫度過低，FDM 材料的黏度就會變大，使得絲束的擠出速度也跟著變慢，這樣還會堵塞噴嘴，同時其層與層之間的粘結強度也會有所降低，嚴重時還會使得層與層之間出現相互剝離現象，嚴重影響打印質量。

2.3 擠出速度的合理選擇與影響因素

擠出速度是指噴頭內容熔融狀態的絲束從噴嘴擠出的速度，在單位時間內擠出的絲束體積與擠出速度成正比[1]。若擠出速度增大，擠出絲的截面寬度就會逐漸增加，當擠到速度增大到一定值，擠出的絲束粘附于噴嘴外圓錐面，形成“擠出漲大”現象，在此情況下是不能進行正常的FDM 成型工藝的加工。

2.4 分層厚度的合理選擇

分層疊加是FDM 技術的成型原理，因此，在模型成型過程中需要確定每一層的切片厚度。對于FDM快速成型工藝，由于分層厚度的存在，就不可避免的出現臺階現象[1]。臺階效應如圖3 所示。

圖3 臺階效應

層厚越大，樣條的成型時間越短。因此，在選擇層厚時應綜合考慮工件所要求的極限強度和彈性模量以及斷裂伸長率，選出最優的層厚[3]。基于FDM 技術3D 打印的質量影響因素很多，包括所選用的材料、噴頭溫度的高低、擠出速度以及分層厚度。要想得到高品質的打印質量，需要根據模型制件的要求進行合理選擇。

3 FDM 成型機械零件的力學性能研究

FDM 成型機械零件的機械性能研究主要應用典型零件花鍵軸，基于Soliworksd 的simulation 仿真分析ABS 和PC 兩種材料的靜應力。對實驗結果的處理，包括分別對ABS 和PC 兩種材料進行單獨討論，其中每一種材料可以根據不同的打印參數進行打印，包括打印溫度、填充率、輪廓圈數、層厚、填充角度以及填充方式等6 個工藝參數。

成型材料為ABS 時，實驗時設定仿真參數為，施加的力矩都為100N。基于soliworks 的仿真分析時的相應圖示如圖4 所示。

圖4 ABS 和PC 成型材料靜應力對比圖

根據機械零件建模仿真的靜應力分析圖的相關數值，創建ABS 和PC 成型材料靜應力分析相關數值（表2）。

表2 ABS 和PC 成型材料靜應力分析相關數值

從表2 的兩種不同的成型材料的靜應力相關數值比較可以看出，ABS 和PC 材料的成型零件在相等的力矩下，其最大變形位移量不一樣，PC 材料的變形量比ABS 材料變形量稍大。在進行3D 打印時可以根據零件的實際情況選擇更合適的成型材料。

4 結語

FDM 技術的零件成型精度的影響因素包括材料性能、噴頭溫度、擠出速度、分層厚度等。在實際應用過程中，應根據載荷工況具體要求，建立FDM 3D 打印預制件三維模型，通過有限元仿真分析[4]，確定參考值。