李金華，張建李，姚芳萍，蘇智超

（遼寧工業(yè)大學(xué) 機械工程學(xué)與自動化學(xué)院，錦州 121001）

0 引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的加工工藝已無法滿足許多異形或復(fù)雜結(jié)構(gòu)的加工需求，隨即國外又推出了一種新的快速成型方法：3DP（3D打?。?。3D打印是目前快速成型領(lǐng)域中最受公眾關(guān)注且最具生命力的技術(shù)之一，普通打印機只能實現(xiàn)X、Y方向的移動，而3D打印在其基礎(chǔ)上增加了Z軸的縱向移動，并利用三維CAD數(shù)據(jù)模型，將材料逐層堆積成與模型形狀一致的實體[1]，這就大大提高了制造復(fù)雜零件的能力，并縮短了新產(chǎn)品的研制周期，降低了研發(fā)成本。

3D打印所用的累積技術(shù)紛繁復(fù)雜，與之對應(yīng)的打印材料也是多種多樣。如光固化成型法（SLA）是以光敏樹脂為原料；而選擇性激光燒結(jié)（SLS）主要用于金屬零件、金屬磨具的直接生產(chǎn)；熔融沉積成型技術(shù)（FDM）則是通過加熱的噴嘴將熱塑性絲狀材料擠出成型[2～4]。與前兩種方法相比，熔融沉積成型不需激光，所用設(shè)備成本低，工藝簡潔，可用材料種類多，以ABS、PLA等聚合物以及石蠟為主[5]，較為廉價且利用率高，是目前流行的桌面3D打印機采用的主流技術(shù)。

文中所述的3D打印制品均是基于Repetier-Host控制軟件，以PLA為材料，通過圖1所示3D打印機制成。它以步進電機為驅(qū)動，采用了齒形帶（X、Y方向）、絲杠(Z方向)并配以圓柱直線導(dǎo)軌的傳動方式，如圖1（a）所示。擠出裝置采用電機接擠絲輪的直接擠出方式，如圖1（b）所示。這種機型結(jié)構(gòu)簡單，造價低，且易于安裝維護。

圖1 3D打印機主要結(jié)構(gòu)

1 打印材料

3D打印機在制件時，材料是通過擠出裝置進入擠出頭加熱，所以要求其具有較好的機械性能，具有一定的彎曲強度、壓縮及拉伸強度[6]，從而保證材料的連續(xù)供給，避免發(fā)生斷絲現(xiàn)象。

絲材在熔融沉積成型過程中，需要通過加熱的噴嘴將其融化，噴涂到熱床上并層層疊加，材料要經(jīng)過固相、熔融態(tài)、冷卻固化三個階段，這就要求其具有良好的熱穩(wěn)定性，較低的收縮率和足夠的粘結(jié)強度[7]。

目前常用的打印材料有ABS與PLA兩種。ABS即丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物，它是非晶體，具有強度高、韌性好、熔點高、凝固快、流動性低的特點，是一種易于加工成型的熱塑型高分子材料，應(yīng)用較為廣泛，但ABS在加熱時會產(chǎn)生刺激性氣味且收縮率較大，且成型精度不易控制。PLA是聚乳酸的簡稱，主要以玉米、木薯等為原料，具有可降解性，加熱融化時氣味小，成型時收縮率較低，打印大型零件模型時邊角不易翹起，且熔點較低，所以在實驗中選擇PLA作為打印材料。

2 產(chǎn)品精度影響因素及翹曲分析

在3D打印過程中，影響產(chǎn)品精度的因素很多，如打印機本身的精度、材料的性能、打印過程中的工藝參數(shù)設(shè)定、制件翹曲等。

1）打印機精度及材料性能

打印機本身的制造和裝配精度以及工作過程中的振動都會影響其打印精度，比如XY平面誤差、X-Y軸與導(dǎo)軌垂直度誤差及定位誤差等。此外，打印機框架結(jié)構(gòu)及所用材料剛度對其穩(wěn)定性也有著很大影響。同時，不同的材料，其熔點、流動性、收縮率等各不相同，這些也都直接影響制品精度。

圖2 層間剝離

2）工藝參數(shù)

（1）溫度

打印溫度包括擠出頭加熱溫度和熱床溫度。擠出頭加熱溫度主要影響材料的粘結(jié)堆積性能及絲材流動性。溫度過低將使材料難以粘結(jié)到熱床上或是發(fā)生如圖2所示的層間剝離，同時易造成噴嘴堵塞；過高則會使材料擠出時偏于液態(tài)，而不是易于控制的絲狀。熱床溫度直圖2層間剝離接影響打印制品的熱應(yīng)力及其與底板的粘結(jié)力，過低會造成翹曲、脫落等現(xiàn)象。

（2）噴嘴直徑與層厚

噴嘴直徑?jīng)Q定擠出絲的寬度，進而影響成品精細程度。由于3D打印的材料是一層一層鋪起來的，故層厚的設(shè)置同樣也會影響制品的粗糙度。若選用大直徑的噴嘴、層厚設(shè)置的厚，則打印耗時短，但成品較粗糙；反之，則耗時長，但得到的成品更精細。打印時需綜合模型尺寸、用途來合理選用噴嘴設(shè)置層厚。圖3（a）所示為當噴嘴直徑為0.4mm時打印出的樣件，圖3（b）為選用0.2mm噴嘴直徑所打印樣件，后者表面“臺階”更窄，更光滑。

圖3 不同直徑噴嘴打印效果

（3）打印速度

3D打印是一個打印速度與擠出速度相互配合的過程，二者需要合理匹配才能達到打印要求。若打印遠快于擠出，則材料填充不足，導(dǎo)致斷絲；反之則會使熔絲堆積在擠出頭上，導(dǎo)致材料分布不均。由于桌面打印機所用材料為絲材，故只需在程序中設(shè)置絲材直徑與打印速度便可，不用設(shè)置擠出速度。打印速度對制件精度有著關(guān)鍵的影響，不能過快或者過慢，需對其進行詳細的設(shè)置，如圖4所示，包括輪廓的打印速度、實體的填充速度、支撐結(jié)構(gòu)打印速度等，并且通常情況下要對第一層的設(shè)置一個較慢的速度以提高其成型質(zhì)量，為接下來的打印提供一好的基礎(chǔ)。

圖4 3D打印機速度設(shè)置局部界面

（4）填充方式

不同的填充方式對應(yīng)的打印速度、制品的收縮應(yīng)力也不同。例如，直線填充速度較快，而蜂窩狀填充產(chǎn)生的收縮應(yīng)力較小。在以ABS作為材料時，選擇蜂窩狀填充可減少翹曲。圖5（a）所示為直線填充的圓柱，每層均為互相垂直的線；圖5（b）為蜂窩狀填充，其上下兩層為直線填充。

圖5 填充方式

（5）冷卻

3D打印是一個連續(xù)的過程，完成一層之后即打印下一層，而桌面3D打印機的制品尺寸都較小，因此在打印PLA等流動性較高的材料時會出現(xiàn)前一層尚未完全成型，后一層便開始在其上打印的情況，這無疑會損害制品精度。所以一般3D打印機都在擠出頭邊設(shè)有如圖6所示的風扇，以加快固化過程。打印前應(yīng)設(shè)置合適的轉(zhuǎn)速，從而獲得較好的成型效果。而有些材料，如ABS，本身流動性較低，因而不需要風扇進行冷卻，否則會引起制件翹曲。

圖6 3D打印機冷卻風扇

3）支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)置及處理

制件有懸空結(jié)構(gòu)時，為了不使其塌陷，在打印過程中，首先要在內(nèi)部打出支撐結(jié)構(gòu)，打印結(jié)束時再將支撐材料剝離。但這一過程極易對制件表面造成破壞，因此，在滿足要求的前提下，支撐結(jié)構(gòu)應(yīng)設(shè)置的盡量少，且所在位置要易于剝離。如圖7所示，需打印零件近似“V”形，左右兩邊有懸空結(jié)構(gòu)，因此設(shè)置了蜂巢狀支撐結(jié)構(gòu)。

圖7 蜂窩型支撐結(jié)構(gòu)

圖8 翹曲現(xiàn)象

4）翹曲分析

3D打印過程中，絲材經(jīng)歷了由固態(tài)到熔融再到冷卻固化三個階段。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。一般室內(nèi)使用桌面3D打印機制件的翹曲現(xiàn)象十分常見，如圖8所示。

造成翹曲變形主要是由于在分層成型過程中，材料堆積不同步而引起各層間體積收縮不同，進而造成內(nèi)應(yīng)力不等而產(chǎn)生的[9]。若新的堆積層能夠自由收縮，則不會產(chǎn)生內(nèi)部應(yīng)力，但實際上，由于新堆積層底面受到已完成部分的外力作用，不能完全收縮，便會不可避免的產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。

桌面3D打印機的使用環(huán)境主要為室內(nèi)，溫度難以改變，主要通過適當調(diào)整熱床溫度和風扇轉(zhuǎn)速來減少翹曲發(fā)生。

3 結(jié)論

綜上所述，影響桌面3D打印機制品精度的因素很多，使用時要根據(jù)具體情況，結(jié)合經(jīng)驗，選擇合適的噴嘴、填充方式、支撐結(jié)構(gòu)，同時調(diào)節(jié)適宜的噴嘴尺寸、熱床溫度來提高制件的精度。制件翹曲主要是由溫度差引起的，可通過合理調(diào)節(jié)風扇轉(zhuǎn)速和熱床溫度有效改善翹曲。

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