摘 要:針對(duì)熔融沉積型3D打印時(shí)噴嘴容易堵塞、打印件翹曲變形等問題。綜合分析了影響噴嘴堵塞和打印件翹曲變形的要素,經(jīng)過多組實(shí)驗(yàn)后采用全程加熱打印平臺(tái)并維持110。左右,層厚0.3mm,打印速度為″快速″,填充量為″松散″的工藝參數(shù)組合。試驗(yàn)結(jié)果表明選擇優(yōu)質(zhì)的材料、使用優(yōu)化后的工藝參數(shù),堵塞和翹曲現(xiàn)象明顯改善。
關(guān)鍵詞:熔融沉積;3D打??;堵塞;翹曲;工藝優(yōu)化
DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.09.124
1 引言
熔融沉積型3D打印技術(shù)是將絲狀材料加熱到適當(dāng)?shù)臏囟仁蛊淙刍?,然后通過噴嘴擠出,一個(gè)層面沉積完成后,打印平臺(tái)按照預(yù)定的增量下降一個(gè)高度,再繼續(xù)熔融沉積,直至完成整個(gè)打印件的典型打印技術(shù)。
目前,熔融沉積型3D打印技術(shù)通常使用ABS、PLA材料。ABS具有較好熱熔性,適合用于擠壓成型。但在加溫?cái)D壓過程中,噴嘴常出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象,影響打印速度。由于打印件成型過程時(shí),材料的形態(tài)經(jīng)歷了固體-熔融體-固體三相的變化,從而材料的溫度經(jīng)歷快速提升到迅速降低兩個(gè)階段的變化,溫度的劇變引起材料冷卻時(shí)收縮不均勻;打印平臺(tái)的溫度與材料熔融體溫度的差異,加快了打印件底層收縮不均勻現(xiàn)象,導(dǎo)致打印件各個(gè)部位發(fā)生不同程度的翹曲甚至脫離打印平臺(tái),嚴(yán)重影響打印效果。因而重點(diǎn)研究噴嘴堵塞、打印件翹曲的影響因素,優(yōu)化打印工藝參數(shù),進(jìn)而提高打印質(zhì)量顯得非常必要。
2 打印缺陷的機(jī)理分析
2.1 噴嘴堵塞問題分析和解決方法
現(xiàn)象描述:在打印樣件時(shí),噴嘴不均勻出絲、間斷出絲、甚至不能出絲。如圖1所示。這種發(fā)生在噴嘴的缺陷,在使用以ABS、PLA等為原材料的熔融沉積型3D打印過程中尤為明顯,嚴(yán)重影響打印進(jìn)程和質(zhì)量。
原因分析:①選用的原材料中的雜質(zhì)熔點(diǎn)高造成噴嘴堵塞;②選用的原材料的大小不規(guī)范,不能與噴嘴內(nèi)徑形成較好的過渡配合;③噴嘴的加熱溫度不穩(wěn)定;④料盤上的原材料排列紊亂,相互纏繞卡住,影響正常送絲(如圖2所示);⑤打印機(jī)擠壓機(jī)構(gòu)的齒輪松動(dòng),不能有效拉動(dòng)材料。
解決方法:①噴嘴加熱時(shí)反向拉出材料,剪斷一小節(jié)再將余下的材料通過導(dǎo)喉管插入噴嘴,等材料熔化后拔出,反復(fù)操作幾次,直至最終出絲通暢;②取下噴嘴,用酒精燈燒熱噴嘴,再用丙酮溶液清洗雜質(zhì);③選擇粗細(xì)均勻、表面光澤度均勻、無雜質(zhì)的原材料,用游標(biāo)卡尺檢測(cè)篩選;④UP!軟件上選擇正確的材料,一定要區(qū)分ABS和PLA。
2.2 打印件翹曲變形缺陷
現(xiàn)象描述:翹曲變形是熔融沉積型3D打印技術(shù)最常見的缺陷。在打印過程中,打印件的底部四周發(fā)生微量翹曲,隨著打印時(shí)間的變化,翹曲變形逐步加劇,直至完全脫離打印平臺(tái),而狹長(zhǎng)形打印件的翹曲變形最為明顯。如圖3所示。
影響因素分析:大量打印實(shí)例表明,原材料的特性、打印速度、噴嘴溫度、填充率、分層厚度、打印平臺(tái)溫度、樣件的形狀大小等因素都會(huì)引起打印件翹曲變形。
打印速度對(duì)翹曲量的影響:UP!軟件上能選擇″普通″、″快速″、″精細(xì)″等三種的打印速度。在″普通″和″精細(xì)″的打印速度下,翹曲變形量較大。速度越慢,打印時(shí)間變長(zhǎng),打印件與打印平臺(tái)的接觸溫度變異加劇,容易發(fā)生翹曲。速度越快,材料凝固不充分, 冷卻時(shí)附加應(yīng)力增加, 不利于均勻變形, 翹曲量較大?!蹇焖佟迨禽^好的打印速度選擇。
分層厚度對(duì)翹曲量的影響:UP!軟件上能選擇0.2mm、0.25 mm、0.3 mm、0.35 mm等四種分層厚度。當(dāng)分層厚度由0.2mm逐步升高到0.35mm, 打印件的表面質(zhì)量和精度逐步降低。這是因?yàn)榉謱雍穸壬咴黾恿舜蛴r(shí)新增層冷卻時(shí)間, 新增層底部與頂部間的溫差, 使得層間溫度分布不均勻, 收縮不均勻增加, 冷凝內(nèi)應(yīng)力增加, 不利于降低樣件翹曲變形量。
填充率對(duì)翹曲量的影響:UP!軟件上能選擇″堅(jiān)固″、″松散″、
″中空″、″大孔″等四種填充率。填充率″大孔″時(shí), 內(nèi)部支撐較弱, 使得外部絲材冷卻收縮時(shí)受內(nèi)部限制的作用較小, 由于冷卻不均勻?qū)е碌淖冃屋^大,翹曲變形增大。填充率達(dá)到″松散″時(shí),繼續(xù)增大填充率達(dá)到″堅(jiān)固″時(shí)雖然可以使得樣件尺寸穩(wěn)定性增加, 缺耗時(shí)耗材。
打印平臺(tái)溫度的控制對(duì)翹曲量的影響:UP!軟件上可設(shè)定″打印前期預(yù)熱″、″全程不加熱″、″全程加熱″三種的打印平臺(tái)溫度控制方式。在打印時(shí)″全程不加熱″的情況下,打印件翹曲量最大;前期預(yù)熱的情況下,樣品翹曲量較??;全程加熱并保持110度左右,樣件翹曲量最小。這是因?yàn)橛∑脚_(tái)適當(dāng)?shù)臏囟瓤梢员WC在打印成型過程中ABS材料整體散熱緩慢均勻。
優(yōu)化方案:基于以上分析,可以從以下幾個(gè)方面著手降低打印樣件的翹曲變形量。①關(guān)閉噴嘴附近的風(fēng)扇和機(jī)箱箱門;②在性能滿足需求情況下,盡量避免打印薄壁、尺寸過大的打印件;③工藝參數(shù)設(shè)定″快速″、0.3mm、″松散″、″打印平臺(tái)全程加熱且溫度需控制在110℃左右″。
3 打印試驗(yàn)與驗(yàn)證
3.1 設(shè)備與材料
打印設(shè)備采用北京太爾時(shí)代科技公司的桌面級(jí)3D打印機(jī)UP mini及UP!切片軟件,材料為直徑為1.75mm 的ABS。
3.2 打印件尺寸
為了便于分析打印件的翹曲變形量。設(shè)計(jì)底面為100mm×20mm的薄壁件作為打印件進(jìn)行試驗(yàn)。打印件模型圖如圖4所示。
3.3 制定試驗(yàn)方案
選取影響打印件質(zhì)量的主要因素:打印速度、分層厚度、填充率、打印平臺(tái)溫度為研究對(duì)象。設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案,試驗(yàn)參數(shù)如表1所示。
3.4 試驗(yàn)結(jié)果
與優(yōu)化前參數(shù)相比,采用優(yōu)化后的參數(shù),打印過程噴嘴堵塞現(xiàn)象不明顯、打印件翹曲變形量不明顯。優(yōu)化前后打印樣件如圖5所示。
4 結(jié)束語
通過改善打印環(huán)境,選擇合格的原材料,采用優(yōu)化后的工藝參數(shù)組合。噴嘴堵塞、翹曲變形現(xiàn)象得到有效緩解,為提高熔融沉積型3D打印質(zhì)量提供新的思路。
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作者簡(jiǎn)介:馮銳(1989-),男,四川廣安人,本科,助教,從事機(jī)電一體化技術(shù)教學(xué)與研究。