范彩霞，閆存富

（黃河科技學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，鄭州 450063）

基于FDM的聚乳酸快速成型參數(shù)實(shí)驗(yàn)研究

范彩霞，閆存富

（黃河科技學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，鄭州 450063）

針對(duì)聚乳酸材料熔融沉積成型過程中成型件的翹曲問題，首先分析翹曲產(chǎn)生的過程及其機(jī)理，通過實(shí)驗(yàn)定量分析噴頭溫度T1、熱床溫度T2及成型速度V對(duì)翹曲變形的影響程度；實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)T1=220℃，T2=64℃，V=45mm/s時(shí)，成型件的翹曲最小，有效提高成型件的幾何精度。

FDM；聚乳酸；翹曲；成型參數(shù)

0　引言

基于熔絲沉積制造工藝（Fused Deposition Modeling, FDM）的兩類主要塑料分別是ABS（Acrylonitrile Butadiene Styrene）和PLA（Poly Lactic Acid）[1]。相對(duì)于ABS，聚乳酸（PLA）是一種新型的生物降解材料，它源于可再生資源——玉米淀粉和甘蔗，而不是非可再生資源——化石燃料。因此具有良好的生物可降解性，使用后能被自然界中微生物完全降解，最終生成二氧化碳和水，這對(duì)保護(hù)環(huán)境非常有利，是理想的綠色高分子材料[2,3]；此外，其機(jī)械性能及物理性能良好，可以加工從工業(yè)到民用的各種塑料制品[4]。

在PLA材料成型過程中，絲材經(jīng)歷固態(tài)—熔融態(tài)—固態(tài)三個(gè)階段兩次相變，其成型收縮主要由兩部分組成：熱收縮和結(jié)晶收縮。由于成型收縮導(dǎo)致內(nèi)應(yīng)力分布不均，造成樣件的變形、翹曲甚至內(nèi)部分層，以翹曲最為明顯，不但影響樣件質(zhì)量，嚴(yán)重時(shí)甚至阻礙成型過程。

文獻(xiàn)[5]從打印機(jī)本身精度、材料性能、打印工藝參數(shù)，支撐結(jié)構(gòu)四個(gè)方面定性分析了影響制件精度的因素，本文從快速成型技術(shù)應(yīng)用的角度出發(fā)，首先分析了翹曲產(chǎn)生機(jī)理，其次通過實(shí)驗(yàn)對(duì)比了溫度及速度參數(shù)對(duì)打印制件翹曲變形的影響，從而找出最優(yōu)打印參數(shù)應(yīng)用于生產(chǎn)科研實(shí)踐中。

1　翹曲產(chǎn)生機(jī)理

整個(gè)快速成型過程分為熔絲的急速加熱和熔融材料的急速冷卻過程。在成型開始時(shí)，材料受熱膨脹，并且處于可自由變形的自由狀態(tài)，此時(shí)材料為保持其連續(xù)狀態(tài)而承受拉應(yīng)力；隨著成型過程進(jìn)行，上層材料同樣受熱膨脹，但由于其低導(dǎo)熱率，在成型過程中，熱量主要靠上表面的輻射效應(yīng)和與空氣對(duì)流散發(fā)，材料上層冷卻速度快，體積收縮快，材料在收縮壓力作用下趨于致密，而下層溫差小，收縮慢，受伸張力作用下趨于擴(kuò)大，最終整體呈現(xiàn)出中間內(nèi)凹邊界翹曲的現(xiàn)象，實(shí)際打印成型中將導(dǎo)致樣件整體沿著Z方向變形翹曲甚至裂紋現(xiàn)象，應(yīng)力最大值出現(xiàn)在模型角點(diǎn)處，為拉應(yīng)力，這也是角點(diǎn)處變形較大的原因。

翹邊的產(chǎn)生的因素更多存在于急速冷卻過程，如平臺(tái)底盤預(yù)熱不均、成型速度較慢、打印材料彈性、收縮度不夠等，這些因素綜合作用，使制件體積收縮而產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，引起制件整體變形、翹曲，在其他快速成型工藝中，也存在類似的情況[6]。

2　實(shí)驗(yàn)過程

實(shí)驗(yàn)樣件考慮平板樣件有利考察翹曲變形，同時(shí)為便于測量，節(jié)約成本和實(shí)踐，本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)圖1所示20mm×20mm×5mm平板作為成型樣件；考慮到制件取出方便，沿X軸方向開兩個(gè)槽以便插入一字形小螺絲刀輕輕翹起工件的底部，使成型件離開熱床；考慮到制件變形量檢測的坐標(biāo)定位，槽尺寸較大的一個(gè)位于X軸的負(fù)方向，槽尺寸較小的一個(gè)位于X軸的正方向；由于熱床溫度并非完全均衡，故每次成型均放置于成型室正中。

圖1　成型試樣幾何結(jié)構(gòu)特征

以中國珠海西通桌面型3D打印機(jī)FDM系列為實(shí)驗(yàn)設(shè)備，以中國珠海連盛電子科技有限公司的繪威3D打印通用耗材為實(shí)驗(yàn)材料，其耗絲直徑為1.75mm，其噴嘴直徑為0.4mm，層高度0.1mm，填充率100%，規(guī)范操作是3D打印實(shí)驗(yàn)的基本要求，其過程主要包括如下八個(gè)步驟：

1）預(yù)熱，噴嘴預(yù)熱溫度210°，底板預(yù)熱溫度60°。

2）粘隔熱紙，注意隔熱紙不可重疊粘貼，根據(jù)使用經(jīng)驗(yàn)，本實(shí)驗(yàn)粘貼3M公司的隔熱紙，避免使用粘接及隔熱效果不好的美紋紙。

3）調(diào)整工作臺(tái)與噴嘴的接觸間隙，其間隙一般小于等于0.088毫米（常見A4紙的厚度）。

4）打開STL文件，調(diào)入三維模型，注意保持原三維模型的設(shè)計(jì)尺寸，一般不要讓打印軟件自動(dòng)根據(jù)工作臺(tái)大小縮放模型。

5）將三維模型放置到工作臺(tái)的表面，注意切換到俯視圖和主視圖觀察工件放置是否在工作臺(tái)范圍之內(nèi)，工件的底面與工作臺(tái)是否貼合。

6）設(shè)置打印參數(shù)，表1所示為主要參數(shù)設(shè)置數(shù)據(jù)。

7）打印前加載一下噴嘴，去除里邊的殘料，即可開始切片生成打印文件，驅(qū)動(dòng)3D打印機(jī)工作。

8）打印完成后，所有的實(shí)驗(yàn)件均放置30分鐘，待其自然冷卻狀態(tài)穩(wěn)定后，采用百分表進(jìn)行機(jī)內(nèi)變形翹曲接觸測量，如圖2所示。獲取表面的平面度數(shù)據(jù)如表1所示。

圖2　實(shí)驗(yàn)件翹曲測量

表1　打印參數(shù)分組試驗(yàn)

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

表1所示為主要實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及其對(duì)應(yīng)的快速成型件最大變形量。對(duì)不同打印成型參數(shù)下模型的變形分析發(fā)現(xiàn)，熱床溫度對(duì)冷卻速度的影響最大，其次是打印速度，噴頭溫度影響相對(duì)較小，具體分析說明如下。

1）A組為噴頭溫度實(shí)驗(yàn)。在改變噴頭溫度的實(shí)驗(yàn)中，隨著噴頭溫度T1從215℃升至235℃，最大翹曲量先減小后增大，220℃至230℃之間成型效果最好。

2）B組為熱床溫度實(shí)驗(yàn)。熱床溫度太低，較大的溫度差和較快的冷卻速度使熔融材料之間的有效粘結(jié)時(shí)間縮短，層間粘接不牢固，粘結(jié)質(zhì)量下降，如表中B組序號(hào)為1的實(shí)驗(yàn)件，其變形量為0.52，相對(duì)較高；但若熱床溫度過高，雖然有助于減小熱應(yīng)力，但當(dāng)下層溫度未冷卻到軟化點(diǎn)之下，即材料處于軟質(zhì)狀態(tài)時(shí)就開始新一層的堆積，將會(huì)導(dǎo)致層間“坍塌”，如表中B組序號(hào)為5的實(shí)驗(yàn)件，零件表面起皺，成型件精度下降，材料的屈服強(qiáng)度降低，抗拉能力減弱，冷卻后的熱變形會(huì)急劇加大甚至降低制件與熱床的粘結(jié)性，嚴(yán)重時(shí)甚至使成型件脫離與熱床的粘結(jié)，成型過程中斷，成型失敗。因此最佳熱床溫度應(yīng)為60℃。

3）C組實(shí)驗(yàn)為成型速度實(shí)驗(yàn)。較低的成型速度有益于成型件幾何精度的提高，隨著打印速度提高，打印結(jié)束時(shí)模型整體溫度較高，底面整體應(yīng)力值降低，但是冷卻后成型件的變形依然較大，如表中C組實(shí)驗(yàn)件的幾何變形量基本上是隨著打印速度的提高而逐漸加大。

4　結(jié)論

翹曲變形是快速成型件的幾何量精度設(shè)計(jì)和檢測的主要因素，盡管引起變形的因素多而復(fù)雜，但通過實(shí)驗(yàn)選取適宜的成型參數(shù)，包括噴頭溫度T1、熱床溫度T2和成型速度V，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：使成型件總翹曲變形最小的最優(yōu)成型參數(shù)為：T1=220℃，T2=64℃，V=45mm/s，可以獲得成型質(zhì)量良好滿足技術(shù)要求的快速成型件。

[1] 劉利剛,徐文鵬,王偉明.3D打印中幾何計(jì)算研究進(jìn)展[J].計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào),2015,6：1243-1267.

[2] 余冬梅,方奧,張建斌.3D打印材料[J].金屬世界,2014,05：6-13.

[3] 小聶.3D打印產(chǎn)業(yè)化之路何去何從——訪北京太爾時(shí)代科技有限公司市場總監(jiān)郭嶠[J].中國設(shè)備工程,2014,12：12-17.

[4] http：//www.kunluntest.com/Tecnic_100.html.

[5] 李金華,張建李,姚芳萍,等.3D打印精度影響因素及翹曲分析[J].制造業(yè)自動(dòng)化,2014,11：26.

[6] 王天明,習(xí)俊通,金燁.熔融堆積成型中的原型翹曲變形[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2006(03)：233-238.

Experimental study on rapid prototyping parameters of poly lactic acid based on fused deposition modeling

FAN Cai-xia, YAN Cun-fu

TH16；TH115

A

1009-0134(2016)07-0073-03

2016-04-11

河南省科技攻關(guān)項(xiàng)目（142102210137）

范彩霞（1976 -），女，河南澠池人，講師，碩士研究生，研究方向?yàn)閿?shù)字化制造技術(shù)。