穆存遠(yuǎn)，吳振興，呂 明

（沈陽(yáng)建筑大學(xué)，遼寧 沈陽(yáng) 110168）

0 引言

快速成型技術(shù)是20 世紀(jì)80年代末發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)先進(jìn)制造技術(shù)[1]，而且是制造領(lǐng)域中一個(gè)革命性的技術(shù)突破，能在很短的時(shí)間內(nèi)得到實(shí)物模型，這種技術(shù)對(duì)于塑料工程師而言，可以提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低成本并節(jié)省時(shí)間[2]。

熔融沉積成型FDM（Fused Deposition Modeling）工藝是將復(fù)雜的三維加工簡(jiǎn)化為二維加工的方式，采用ABS塑料、石蠟等材料，由噴頭擠出熱塑材料堆積，通過(guò)層層疊加，最終加工完成模型。

在FDM 工藝成形過(guò)程中影響成型件精度的因素有很多種，但溫度控制尤其是在FDM 工藝中的溫度控制會(huì)更影響成型件的性能。其中包括了噴嘴溫度的控制和成型室溫度控制。因?yàn)镕DM 工藝是通過(guò)絲材的堆積成型，在堆積過(guò)程中，不同的溫度下，F(xiàn)DM 成型件的成形質(zhì)量會(huì)受到直接影響。因此選擇合適的溫度，對(duì)于一個(gè)成型件是否成功是至關(guān)重要的。

1 FDM 中噴嘴溫度對(duì)成型件的影響

噴嘴溫度決定了材料的粘結(jié)性能、堆積性能、絲材流量以及擠出絲寬度。噴嘴溫度應(yīng)在一定的范圍內(nèi)選擇，使擠出的絲呈塑性流體狀態(tài)，即保持材料粘性系數(shù)在一個(gè)適用的范圍內(nèi)。噴頭溫度太低，材料偏向于固態(tài)，則材料粘度增大使擠出摩擦阻力加大，擠絲速度變慢，這不僅加重了擠壓系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，極端情況下還會(huì)造成噴嘴堵塞，縮短噴頭的壽命，而且材料層間粘結(jié)強(qiáng)度降低，還會(huì)引起層間剝離；而溫度太高，材料偏向于液態(tài)，出現(xiàn)焦黃，材料分子破裂，粘性系數(shù)變小，流動(dòng)性強(qiáng)，擠出過(guò)快，無(wú)法形成可精確控制的絲，使擠出的絲表面粗糙，制作時(shí)會(huì)出現(xiàn)前一層材料還未冷卻成形，后一層就加壓于其上，從而使得前一層材料坍塌和破壞。因此，噴頭溫度應(yīng)根據(jù)絲材的性質(zhì)在一定范圍內(nèi)選擇，以保證擠出的絲呈熔融流動(dòng)狀態(tài)。

從圖1 中可清楚看到，若噴嘴溫度低于130℃，材料不能完全熔融，容易使噴嘴堵塞，無(wú)法成形；若噴嘴溫度高于180℃，材料會(huì)多度熔融，材料會(huì)焦黃，影響成型質(zhì)量。若每層的成形時(shí)間過(guò)短，上一層的材料來(lái)不及固化，就繼續(xù)再堆積，則成形的面會(huì)塌陷。

在熔融沉積快速成形工藝中，噴嘴溫度同樣與每一層的成形時(shí)間t 有關(guān)系。每一層的成形時(shí)間t與成型機(jī)系統(tǒng)的擠出速度、模型的外觀是相關(guān)的。如果每層的擠出速度快，模型體積小，則該層的成型時(shí)間會(huì)短，這時(shí)需要在圖1的成型區(qū)域選擇噴嘴溫度較低的一側(cè)；如果每層的擠出速度慢，模型體積小，那么該層的成形時(shí)間就會(huì)加長(zhǎng)，這時(shí)就需要在圖1的成型區(qū)域選擇噴嘴溫度較高的一側(cè)。因此，在加工成型時(shí)需要控制好噴嘴溫度與每一層成型時(shí)間的關(guān)系，這樣才能獲得較好的成型件。

圖2 是通過(guò)FDM 得到的產(chǎn)品模型，從圖中我們看出a、b、c 三處的表面精度依次降低，尤其在c 處出現(xiàn)明顯的參差不平，不能滿(mǎn)足我們的加工要求。從圖2 我們可以明顯看出，在成型過(guò)程中成型面積逐漸縮小，并且在噴嘴溫度不改變的情況下，模型表面隨著成型面積的減小而變得更加粗糙，而對(duì)于比較小的成型面，則無(wú)法完成加工。

圖1 TSJ-200 快速成型機(jī)的成型范圍Fig.1 Forming range of TSJ-200 FDM machine

圖2 門(mén)把手車(chē)鎖部分模型Fig.2 Mold of the door handle lock part

2 FDM 快速成型件表面硬度的測(cè)試

2.1 塑料硬度概述及測(cè)定

硬度是物質(zhì)受壓變形程度或抗刺穿能力的一種物理度量方式。硬度可分相對(duì)硬度和絕對(duì)硬度。絕對(duì)硬度一般在科學(xué)界使用，生產(chǎn)實(shí)踐中很少用到。我們通常使用硬度體系為相對(duì)的硬度，常用有以下幾種標(biāo)示方法[3]：肖氏（也叫邵氏，邵爾，英文SHORE）、洛氏、布氏三種。橡膠類(lèi)材料一般采用邵氏硬度來(lái)測(cè)量。

邵氏硬度的測(cè)試方法：用邵氏硬度計(jì)垂直放于被測(cè)模型上，表盤(pán)上的指針通過(guò)彈簧與一個(gè)刺針相連，用針刺入被測(cè)模型表面，保持住1s 后，表盤(pán)上所顯示的數(shù)值即為硬度值，這時(shí)就可以讀數(shù)記錄。

本次實(shí)驗(yàn)中采用的硬度計(jì)時(shí)濟(jì)南時(shí)光試驗(yàn)儀器有限公司的橡膠硬度計(jì)，硬度標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行GB/T531-99、GB2411-80、HG/T2489-93、JJG304-2003的有關(guān)規(guī)定。

2.2 汽車(chē)門(mén)把手的制作

實(shí)驗(yàn)條件：設(shè)備為T(mén)SJ-200 熔融沉積快速成型機(jī)、溫度計(jì)、硬度計(jì)等，實(shí)驗(yàn)材料為ABS。

模型制作方法：本實(shí)驗(yàn)以汽車(chē)門(mén)把手為載體進(jìn)行建模，首先通過(guò)在犀牛軟件中建三維模型，然后將其導(dǎo)成.stl格式的文件，輸入到快速成型機(jī)中，層層疊加得到制件。

實(shí)驗(yàn)方法：將犀牛做好的三維模型轉(zhuǎn)化為stl 格式的文件，輸入到快速成型機(jī)中，對(duì)快速成型機(jī)進(jìn)行參數(shù)的調(diào)整，選擇適當(dāng)填充速度和出絲速度，調(diào)整噴嘴和工作臺(tái)墊紙板的距離（大約一張A4 紙的厚度），便可開(kāi)始造型，直到得到制件。

本實(shí)驗(yàn)主要是研究溫度系統(tǒng)對(duì)成型件表面硬度的影響。實(shí)驗(yàn)采用單因素法，保證快速成型機(jī)的分層厚度、噴嘴直徑、擠出速度、填充速度、理想輪廓補(bǔ)償量等因素不改變的情況下，單獨(dú)改變成型室的溫度，從而得到多個(gè)在不同溫度下的汽車(chē)門(mén)把手。論文分別在26℃、21℃、16℃、12℃、9℃、7℃六個(gè)不同的成型室溫度下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，圖3 就是在不同溫度下做制作的汽車(chē)門(mén)把手。

圖3 六個(gè)不同溫度下的制件Fig.3 Six models in different temperatures

3 成型室溫度對(duì)模型表面質(zhì)量影響

如圖4所示所選的門(mén)把手的測(cè)量點(diǎn)是一個(gè)曲面，屬于門(mén)把手的內(nèi)側(cè)，而門(mén)把手的內(nèi)側(cè)在成型過(guò)程中需要有支撐材料來(lái)支撐，并且沒(méi)有裸露在空氣當(dāng)中。

將實(shí)驗(yàn)得到的六個(gè)不同溫度

下的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停瑢?duì)如圖4所示的位置進(jìn)行硬度測(cè)量，得出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下：

圖4 門(mén)把手的測(cè)量點(diǎn)Fig.4 Measured point of car handle

表1 門(mén)把手五個(gè)測(cè)量點(diǎn)的表面硬度Tab.1 Surface hardness of the five points of car handle

門(mén)把手的正面在熔融沉積成型的過(guò)程中，需要添加支撐，從圖4 中可以看出，門(mén)把手的內(nèi)側(cè)并沒(méi)有直接裸露在成型室當(dāng)中，而是被支撐材料所包圍，其中五個(gè)測(cè)量點(diǎn)的表面硬度值變化曲線圖，如表1 和圖5所示，在溫度低于12℃時(shí)，硬度值慢慢上升，到達(dá)13℃后，硬度值趨于最高，所測(cè)點(diǎn)的硬度值在38D 左右，不再有明顯的變化，這說(shuō)明有支撐材料的一面能對(duì)門(mén)把手具有一定的 “保溫”作用，而在其成型過(guò)程中，受成型室溫度變化相對(duì)較小，硬度值的變化相對(duì)穩(wěn)定。

由以上實(shí)驗(yàn)分析，我們可以得出如下結(jié)論：

（1）在其余加工參數(shù)不改變的情況下，熔融沉積成型件的表面硬度隨溫度增加而增加，并且在15℃以下，硬度值增加較快，15℃～30℃硬度值增長(zhǎng)緩慢。但當(dāng)溫度低于3℃，模型質(zhì)量將大大降低，不能滿(mǎn)足正常加工需要。

（2）成型件在不同溫度下的表面硬度測(cè)量數(shù)據(jù)顯示，有支撐材料的一面在0℃～30℃硬度整體在34～39D 之間，變化曲線相對(duì)比較平穩(wěn)。說(shuō)明有支撐材料的一側(cè)的硬度受到了支撐材料的影響。

圖5 門(mén)把手硬度變化曲線圖Fig.5 Variation curve of hardness of car handle

4 其他加工參數(shù)對(duì)成型精度的影響

FDM 工藝中其他的工藝參數(shù)有：分層厚度、擠出速度、填充速度、填充方式、網(wǎng)格間距、理想輪廓線的補(bǔ)償量、開(kāi)啟延時(shí)、關(guān)閉延時(shí)、絲的材質(zhì)、成型室吹風(fēng)方式、空行程速度、添加支撐等[4]。其中對(duì)原型精度和成形時(shí)間有影響的工藝參數(shù)主要有：分層厚度、補(bǔ)償量、擠出速度、填充速度、開(kāi)啟延時(shí)和關(guān)閉延時(shí)等因素。

（1）分層厚度[5]。當(dāng)分層厚度一定時(shí)，成型方向與成型表面法矢量間的夾角越小，臺(tái)階效應(yīng)對(duì)零件的影響越大；分層厚度越小，表面的質(zhì)量越高，但隨之帶來(lái)的是成型時(shí)間變長(zhǎng)，加工效率低。而分層厚度越大，臺(tái)階效應(yīng)越明顯，表面質(zhì)量也就越差。

（2）擠出速度與填充速度[6]。如果填充速度與擠出速度匹配后出絲太慢，則材料填充不足，出現(xiàn) “斷絲”現(xiàn)象，難以成型；相反，填充速度與擠出速度匹配后出絲太快，熔絲堆積在噴頭上，使成型面材料分布不均勻，表面會(huì)有 “疙瘩”，影響造型質(zhì)量。所以，應(yīng)根據(jù)具體情況，將擠出速度和填充速度進(jìn)行合理匹配。

（3）理想輪廓線的補(bǔ)償量。由于噴絲具有一定的寬度，造成填充輪廓路徑時(shí)與實(shí)際輪廓線不重合。故在生成輪廓路徑時(shí)，對(duì)理想輪廓線進(jìn)行補(bǔ)償。

5 結(jié)論

作者主要研究了成型室溫度和噴嘴溫度對(duì)熔融沉積成型件表面硬度的影響。成型件的硬度與成型室溫度有密切的依賴(lài)關(guān)系，不同溫度下加工的成型件硬度是不一樣的，在最佳成型室溫度范圍內(nèi)，能夠得到較好的成型件，一旦超過(guò)這一溫度范圍，成型件的質(zhì)量會(huì)明顯下降，不能滿(mǎn)足加工要求。通過(guò)實(shí)驗(yàn)以汽車(chē)門(mén)把手為造型基礎(chǔ)，通過(guò)在不同溫度下加工模型，用標(biāo)準(zhǔn)塑料硬度計(jì)測(cè)量模型的硬度，得出了硬度變化曲線，分析原因，最終得出結(jié)論。通過(guò)FDM 工藝得到的ABS 成型件的表面硬度在34～39D 之間，其中成型室溫度10～15℃之間的時(shí)硬度最高，成型件的質(zhì)量也是最好的。

噴嘴溫度對(duì)成型材料的影響明顯，不同的噴嘴溫度對(duì)ABS的絲材出絲影響明顯，在造型時(shí)，應(yīng)控制好噴嘴的工作溫度，才能造出效果較好的實(shí)體。在相同的噴嘴溫度和成型室溫度下，模型表面的粗糙度隨著成型面積的減小而增大。

[1]王春光，趙國(guó)群.快速成型與快速模具制造技術(shù)[M].新技術(shù)新工藝，2003.

[2]R üdiger Landers,Ute H übner,Rainer Schmelzeisen.A review of rapid prototyping technologies and systems[J].Computer-Aided Design,2007,16.

[3]單曉鳳，司春杰.里氏硬度值與布氏硬度值、洛氏硬度值的關(guān)系[J].山東冶金，1998.1.

[4]張永，周天瑞，徐春暉.熔融沉積快速成型工藝成型精度的影響因素及對(duì)策[J].南昌大學(xué)學(xué)報(bào)工科版，2007，9.

[5]穆存遠(yuǎn)，宋祥波.快速成型臺(tái)階誤差分析及其降低措施[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造：2011，4.

[6]鄒國(guó)林，郭東明，賈振元.FDM 工藝出絲過(guò)程影響因素分析[J].制造技術(shù)與機(jī)床，2002，10.