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        FDM打印質(zhì)量缺陷及分析

        2017-11-07 19:14:41高文嬙
        科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2017年30期
        關(guān)鍵詞:缺陷質(zhì)量

        高文嬙

        摘 要:熔融沉積成形是一種3D打印成形工藝,其加工靈活性強(qiáng)、設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、材料成本低,在機(jī)械加工、教育等行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。但是受到工藝和設(shè)備精度的限制,其加工的制件會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)度不夠、表面質(zhì)量差、扭曲錯(cuò)位及翹曲竄動(dòng)等缺陷,文章對(duì)主要缺陷產(chǎn)生的原因進(jìn)行了分析,并總結(jié)了改善缺陷的主要方法。

        關(guān)鍵詞:FDM打印;質(zhì)量;缺陷

        中圖分類號(hào):TP334.8 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):2095-2945(2017)30-0082-02

        1 FDM打印技術(shù)概述

        熔融沉積成形Fused Deposition Modeling(FDM)是3D打印技術(shù)中的一種典型加工工藝。3D打印技術(shù),又稱增材制造技術(shù),是結(jié)合CAD技術(shù)將模型離散成有限個(gè)單元,并逐層加工堆積成形的加工方式[1]。英國(guó)《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》雜志將3D打印技術(shù)喻為第三次工業(yè)革命的推動(dòng)力量[2]。得益于累積加工方式,3D打印技術(shù)無需考慮減材制造中涉及的刀具所需空間和軌跡,因此其成形靈活性更高、設(shè)計(jì)難度低且生產(chǎn)周期短,目前廣泛應(yīng)用于機(jī)械加工、模具制造、教育、醫(yī)療及航空航天等多個(gè)領(lǐng)域。

        3D打印技術(shù)起源于分層制造法,由J. E. Blanther在1892年提出,并在早期應(yīng)用于制作地形圖。1988年,美國(guó)3D systems研制出FDM打印技術(shù),并發(fā)明了第一臺(tái)快速成形機(jī),隨后DTM、Z Crop等多家公司也不斷研制并推出3D打印技術(shù)及設(shè)備,推動(dòng)了3D打印技術(shù)的快速發(fā)展。國(guó)內(nèi)也積極開展了對(duì)于FDM技術(shù)的研發(fā),西安交通大學(xué)、北京航空航天大學(xué)都相繼建立了工作室,同時(shí)市場(chǎng)也涌現(xiàn)出了大批的科技公司,成功研制出了FDM設(shè)備及接口軟件[3],促進(jìn)了該技術(shù)在國(guó)內(nèi)的推廣和應(yīng)用。

        2 FDM打印技術(shù)原理

        3D打印技術(shù)的基本原理是離散和堆積[4]。首先利用CAD或者逆向工程技術(shù)完成模型的建立,在程序處理的過程中,將構(gòu)建好的模型沿著一定的方向離散成有限個(gè)單元,每個(gè)單元可近似地看成平面,并生成加工軌跡。在加工的過程中,每次完成一個(gè)平面的加工,再通過層與層之間的連接進(jìn)行堆積,累積成三維實(shí)體,最終完成三維成形。

        熔融沉積成形原材料為絲狀塑料,加工時(shí)利用輥?zhàn)訉⒔z送入噴頭,塑料在噴頭高溫的作用下迅速融化,并由噴頭擠出并粘結(jié)至工作臺(tái)或已成形表面,隨后快速冷卻凝固,每粘結(jié)完一層,噴頭上升或工作臺(tái)下降一定高度,以進(jìn)行下一層的粘結(jié),如此循環(huán)最終獲得制件。制件完成后要進(jìn)行去支撐、光滑表面等后處理操作[5]。

        3 FDM打印主要質(zhì)量缺陷及分析

        熔融沉積成形雖然有其快速便捷的優(yōu)勢(shì),但也存在成形精度低、表面質(zhì)量差,加工速度慢等缺點(diǎn)。其生產(chǎn)的制件主要質(zhì)量缺陷有以下幾種:

        3.1 強(qiáng)度不夠

        強(qiáng)度不夠是FDM制件的主要問題,也因此限制了該技術(shù)的應(yīng)用范圍。強(qiáng)度問題主要是由于工藝和材料導(dǎo)致的。首先,打印材料對(duì)制件強(qiáng)度起著決定性作用,F(xiàn)DM應(yīng)用的材料為塑料,如工程塑料ABS,聚碳酸酯PC和聚乳酸PLA等。但不同的塑料強(qiáng)度差異很大,ABS材料的強(qiáng)度和韌性就明顯好于PLA材料,但由于PLA屬于生物降解材料,材料價(jià)格低廉且更加環(huán)保,應(yīng)用PLA材料的打印設(shè)備成本也相對(duì)較低,因此PLA材料在示范教學(xué)中應(yīng)用得更為廣泛。對(duì)于材料的選擇,應(yīng)綜合考慮制件性能需求、應(yīng)用范圍及經(jīng)濟(jì)性等多個(gè)因素,選擇更為合適的材料。其次,F(xiàn)DM的原理是將實(shí)體模型分成若干層,對(duì)每層進(jìn)行打印,層與層之間依靠材料融化后重新凝固進(jìn)行連接。而這種連接方式的強(qiáng)度則受到材料熱物理特性和模型的影響。當(dāng)模型截面較小時(shí),兩層之間的連接部分面積過小,則會(huì)導(dǎo)致連接強(qiáng)度不夠,在后期模型處理或受力的過程中很容易發(fā)生折斷。因此,在模型設(shè)計(jì)的過程中,應(yīng)盡量避免尺寸過小的連接部分。

        3.2 表面質(zhì)量差

        FDM打印過程中常出現(xiàn)的另一種缺陷是表面拉絲,這些絲有時(shí)呈點(diǎn)狀,有時(shí)呈長(zhǎng)條狀,直接影響制件的表面質(zhì)量及使用性能,對(duì)于需要精密配合的制件,表面質(zhì)量差會(huì)直接導(dǎo)致裝配精度不達(dá)標(biāo)甚至無法裝配。表面拉絲是由于噴頭在材料外表面停止擠出材料時(shí),仍有一部分融化的材料受到重力的作用流出噴頭,附著在制件表面,形成點(diǎn)或長(zhǎng)條?,F(xiàn)有設(shè)備大多通過在打印停止時(shí)進(jìn)行材料絲回抽來緩解表面拉絲問題,該方法在每段程序打印完成后,噴頭抬起時(shí)加入一段程序,使材料絲反向運(yùn)動(dòng),盡可能保證融化的材料不流出噴頭?;爻椴牧线^少不能明顯改善拉絲現(xiàn)象,而回抽材料過多會(huì)導(dǎo)致下次打印的起始點(diǎn)不準(zhǔn),影響層與層之間的連接,因此要想通過回抽的方法改善表面拉絲問題,要求設(shè)備精度較高,尤其是對(duì)于給絲電機(jī)的精度,提出了較高的要求。對(duì)于已經(jīng)出現(xiàn)拉絲的制件,只能通過后期表面處理,用砂紙或銼刀等方式機(jī)械地去除多余材料,但也有可能會(huì)導(dǎo)致制件表面出現(xiàn)許多細(xì)小的材料屑,需要噴漆等進(jìn)一步后處理以彌補(bǔ)表面質(zhì)量缺陷。

        另一種表面質(zhì)量缺陷是由于支撐部分造成的。由于FDM是由下自上累積成形的,對(duì)于一些上部的突出結(jié)構(gòu),必須從底部對(duì)其添加支撐結(jié)構(gòu)。若模型與支撐采用同種材料同時(shí)進(jìn)行加工,后期只能用刀具去除支撐部分,則與支撐接觸的制件表面質(zhì)量會(huì)下降。部分機(jī)器模型和支撐采用兩種材料,支撐為水溶性材料,在后期處理時(shí)可用堿溶液融化支撐,所得到的制件表面質(zhì)量相對(duì)較好。

        3.3 扭曲、錯(cuò)位

        在3D打印的過程中,也經(jīng)常出現(xiàn)制件上下兩部分相對(duì)位置發(fā)生移動(dòng),導(dǎo)致制件扭曲或錯(cuò)位的情況。在連續(xù)打印中,這種上下不對(duì)應(yīng)的情況常常是由于已經(jīng)打好的部分受到外力的作用發(fā)生移動(dòng)導(dǎo)致的,這種移動(dòng)可能是由于模型與底板部分連接不牢固,使得在材料發(fā)生熱脹冷縮等變形時(shí),從底板脫落導(dǎo)致的,也可能是由于機(jī)器精度不夠,噴頭在移動(dòng)中撞擊到了已經(jīng)打印好的部分造成的。除此之外,在模型打印的過程中,人為的觸碰和干擾也會(huì)導(dǎo)致上下模型的錯(cuò)位。

        而錯(cuò)位現(xiàn)象的產(chǎn)生更容易發(fā)生在斷點(diǎn)續(xù)打之后。隨著3D打印技術(shù)的不斷發(fā)展,斷點(diǎn)續(xù)打技術(shù)也越來越多的被采用,以打破3D打印過程需要設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間不間斷工作的限制,大大提升了該技術(shù)的靈活性。所謂斷點(diǎn)續(xù)打技術(shù)就是在打印的過程中,人為地停止打印,而此時(shí)打印機(jī)會(huì)在程序中進(jìn)行標(biāo)記,記錄打印進(jìn)度及打印停止時(shí)噴頭的坐標(biāo)參數(shù),在下次繼續(xù)打印時(shí),打印機(jī)會(huì)選擇從上一次標(biāo)記的位置開始程序,將噴頭置于上次所處的坐標(biāo)位置開始打印。在這一過程中,由于噴頭位置精度等因素的限制,記錄和重新讀取數(shù)據(jù)都存在一定的偏差,因此在續(xù)打后很容易出現(xiàn)上下錯(cuò)位的情況。通常續(xù)打完成的制件,可在制件表面觀察到續(xù)打的痕跡,表明該技術(shù)仍需進(jìn)一步的改進(jìn)和完善。目前續(xù)打技術(shù)多應(yīng)用于一些形狀簡(jiǎn)單、精度和表面質(zhì)量要求不高的制件中。endprint

        3.4 翹曲、竄動(dòng)

        制件在打印后期容易發(fā)生變形、翹曲的缺陷,且越接近底層變形越大,嚴(yán)重時(shí)制件會(huì)從底板上完全脫離、竄動(dòng),導(dǎo)致制件制作的失敗。這種變形主要是制件內(nèi)部的熱應(yīng)力導(dǎo)致的,材料絲首先被加熱至融化,然后擠出粘結(jié)在底板或已加工完成的部分上方,此時(shí)材料溫度較高,發(fā)生膨脹,稍后材料冷卻時(shí)發(fā)生收縮,這種收縮隨著層數(shù)的增加發(fā)生累積,最終導(dǎo)致變形。目前解決翹曲的主要方式有兩種,一種是底板加熱,另一種是封閉加工,加熱環(huán)境溫度。兩種方法的目的都是為了使材料受熱更均勻,冷卻的過程中緩慢的釋放熱應(yīng)力,避免應(yīng)力集中造成的翹曲,其中封閉加熱環(huán)境溫度能夠使模型整體處于恒定溫度中,對(duì)熱應(yīng)力問題的改善更為明顯。

        4 結(jié)束語

        3D打印作為新興技術(shù),具有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì),能夠利用模型的離散和堆積完成產(chǎn)品的快速成形,實(shí)現(xiàn)了快速原型技術(shù)等,能夠有效地節(jié)省生產(chǎn)成本,縮短生產(chǎn)周期。3D打印根據(jù)成形原理及材料的不同又分為許多種,其中FDM技術(shù)主要應(yīng)用于塑料產(chǎn)品的制造。但該技術(shù)及相關(guān)設(shè)備的研發(fā)仍出在發(fā)展階段,制件容易發(fā)生強(qiáng)度低、表面質(zhì)量差、扭曲錯(cuò)位及翹曲竄動(dòng)等缺陷,需要在模型設(shè)計(jì)及設(shè)備研發(fā)的過程中考慮到缺陷產(chǎn)生的可能性。在模型設(shè)計(jì)的過程中應(yīng)避免截面過小的部分,以防止該部分強(qiáng)度不夠造成整體力學(xué)性能的下降。在設(shè)備硬件設(shè)計(jì)的過程中也考慮反向抽絲及加熱問題,以盡可能地改善表面拉絲及翹曲竄動(dòng)等問題。在軟件研發(fā)中,也應(yīng)提高噴頭位置的控制精度,進(jìn)一步完善斷點(diǎn)續(xù)打程序,同時(shí)提高中斷位置的捕捉精度和續(xù)打位置的控制精度,避免模型的扭曲和錯(cuò)位。除此之外,F(xiàn)DM打印制件仍然存在一些質(zhì)量不穩(wěn)定的因素,需要對(duì)相關(guān)技術(shù)和工藝及設(shè)備的不斷研發(fā)和優(yōu)化。

        參考文獻(xiàn):

        [1]盧秉恒,李滌塵.增材制造(3D打?。┘夹g(shù)發(fā)展[J].機(jī)械制造與自動(dòng)化,2013,42(4):1-4.

        [2]Wang F Y. From social computing to social manufacturing: the coming industrial revolution and new frontier in cyber-physical-social space[J]. Bulletin of Chinese Academy of Sciences, 2012.

        [3]李滌塵,田小永,王永信,等.增材制造技術(shù)的發(fā)展[J].電加工與模具,2012(s1):20-22.

        [4]陳鵬.3D打印技術(shù)實(shí)用教程[M].中國(guó)工信出版社,2016.

        [5]周功耀,羅軍.3D打印基礎(chǔ)教程[M].東方出版社,2016.endprint

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