郝 鵬

（寧夏共享模具有限公司，寧夏銀川 751200）

FDM 是“Fused Deposition Modeling”的簡寫形式，即為熔融沉積成型，屬于3D打印技術(shù)的一種。通俗來講就是利用高溫將各種絲材或顆粒加熱融化，通過打印頭擠出后固化，最后在立體空間上排列形成立體實物的過程。FDM技術(shù)常用于新型高效環(huán)保模具的制作。通過FDM技術(shù)打印模具毛坯，通過加工、組裝的方式制作模具。利用3D打印成型的特點，可生產(chǎn)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的模具，具有強度高、表面質(zhì)量好、壽命長的特點。并且使用的新型PLA（聚乳酸）材料使生產(chǎn)的模具可回收，實現(xiàn)重復(fù)利用。使用3D方式生產(chǎn)模具使得模具制作環(huán)境變的干凈、整潔、環(huán)保，完全顛覆了傳統(tǒng)臟、亂、差的模具制造模式。但是打印毛坯過程存在諸多問題，本文就關(guān)鍵問題提出解決方案，提升整體打印質(zhì)量和效率。使用3D成型技術(shù)制作FDM模具屬于業(yè)內(nèi)首創(chuàng)，2016年進行了此項技術(shù)的研發(fā)，要實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化需要解決一系列的技術(shù)難題。通過近兩年的研究將打印工藝和工藝參數(shù)進行不斷優(yōu)化，最終實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。下面將重點和難點問題進行逐一闡述。

圖1 孔洞、漏料問題

1 漏料、孔洞問題

材料在重力及慣性的作用下，發(fā)生漏料現(xiàn)象?？锥磫栴}是由于流涕導(dǎo)致，流下來的料搭在產(chǎn)品上，下一層打印時受到影響而不能100%接觸，形成孔洞。

通過對打印過程的跟蹤和分析找出減小漏料的五個方法：

（1）增加回抽（減小空腔，但回抽對設(shè)備傷害大）。

（2）增加后處理程序，在終點前預(yù)先停止擠出，軟件插件實現(xiàn)。

（3）優(yōu)化切片軟件，盡可能一條線打印一個面，減少抬刀和空行程。

（4）打印頭控制裝置（壓力擠出裝置）。

（5）擠出頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，減小流涕現(xiàn)象，使用4mm擠出頭（直通加長、拐彎兩種）。

通過設(shè)備實際驗證，以上措施均可有效解決漏料和空洞問題。

圖2 打印不閉合缺陷

圖3 拐角材料堆積問題

圖4 改善前打印產(chǎn)品

圖5 改善后打印產(chǎn)品

2 局部不填充

局部不填充會嚴重影響產(chǎn)品的強度，在未填充部位容易出現(xiàn)斷裂等情況。經(jīng)深入分析與試驗，確定局部不填充主要是成型工藝特性（局限性）引起的。槽寬小于兩條線寬，出現(xiàn)走刀路徑無法規(guī)劃而導(dǎo)致不填充的現(xiàn)象發(fā)生。通過多次實驗發(fā)現(xiàn)打印壁厚為偶數(shù)倍的線寬時此問題可以得到很好的解決。當壁厚小于線寬的偶數(shù)倍時會出現(xiàn)嚴重的堆積現(xiàn)象。綜上在產(chǎn)品打印工藝設(shè)計上需要進行合理的規(guī)劃，避免此類問題發(fā)生。

為了驗證以上結(jié)論將打印產(chǎn)品調(diào)整實驗方案：測試一圈、兩圈、三圈打印筋板厚度、最小可填充厚度以及最佳參數(shù)。

3 拐角處材料堆積問題

拐角處材料堆積主要為打印到拐點處機床的運動軸（X、Y軸）會進行加減速，但是擠出軸未調(diào)整合適的擠出量造成材料堆積，通過長期的研究解決措施如下：

（1）填充時擠壓造成?？蓽p小OFFSET值，防止內(nèi)填充擠壓輪廓。

（2）起始點造成。軟件增加起始點位置設(shè)置功能。

（3）輪廓打印速度太快。軟件設(shè)置減小輪廓打印速度。

（4）拐角處加減速造成。軟件增加慣性補償功能插件，預(yù)先停止擠出。

4 翹邊問題

翹邊是在3D打印過程中普遍發(fā)生的問題，這是由于打印材料熱脹冷縮的原理，使得模型和打印平臺接觸的底面邊緣更容易翹起，甚至出現(xiàn)脫離平臺的情況，輕者影響打印效果，造成模型底部變形，重者會導(dǎo)致打印失敗。解決翹邊問題的方案如下：

（1）加熱平臺：避免翹邊的最佳方法是加熱平臺。將材料保持在一定的溫度，確保材料打印時保持平坦并和平臺貼附良好。但是要注意的是，合適的平臺溫度非常重要，不同的材料對應(yīng)的平臺溫度也不一樣。

（2）保持平臺的平整性：在打印過程中，如果噴嘴和平臺距離過大，則材料容易松脫，造成翹邊現(xiàn)象。當使用3D打印機打印第一層出現(xiàn)問題的時候，建議重新調(diào)整平臺，保持平臺的平整性。調(diào)平對于打印來說非常重要。

（3）使用粘合劑：為了確保打印件和平臺粘合牢固，首先平臺應(yīng)該光滑潔凈，不能有油漬或者雜質(zhì)在平臺上。如果使用的是玻璃平臺，可以使用粘合劑均勻涂抹，可以增加模型和平臺的貼合程度。

（4）切片時使用brim（裙邊）：在常用切片軟件cura的內(nèi)置功能中，有一個功能叫brim（裙邊）。這是一個非常有效的防止翹邊的切片功能。該功能會在打印的模型周圍放置一層由單層層厚的平坦區(qū)域，在打印冷卻過程中抵抗材料熱脹冷縮帶來的拉力。并且由于只有單層層厚，所以后期很容易拆除，是一個非常不錯的解決方案。切片時使用raft（筏）：對于一些特殊的材料或模型，加裙邊可能還不足以完全防止翹邊。這種情況下，可以使用切片軟件cura中的raft（筏）。這個功能會在模型和平臺之間增加一層網(wǎng)格層，保證受熱均勻。在模型底部平坦度不夠時，或者使用特殊耗材打印時，有很好的防止翹邊的作用。

（5）調(diào)整初始打印層的設(shè)置：影響附著力的兩個重要設(shè)置（與第一層相關(guān)）是初始層高和初始層速度。在大多數(shù)情況下，較厚的初始層使得粘合更容易，在平臺校準誤差不大的情況下，不要將初始層速度設(shè)置得太高，因為材料可能會附著在噴嘴上并被它拖拽，而不是保持粘附固定在平臺上。

圖6 改善前打印產(chǎn)品

圖7 改善后打印產(chǎn)品

圖8 改善前后打印參數(shù)及效率對比

（6）注意冷卻：冷卻問題也是翹邊的主要原因之一。材料在冷卻時收縮，將會可能導(dǎo)致和上一層拉開。所以在打印下一層時，需要對材料進行適當冷卻，避免過度冷卻以確保平滑無翹邊的打印。

5 產(chǎn)品太重操作困難

5.1 網(wǎng)格結(jié)構(gòu)減重打印方案研究

圖9 方案設(shè)計

圖10 打印過程

圖11 實際打印效果圖

圖12 方案設(shè)計

正常打印為了保證上層封面不塌陷一般將內(nèi)部填充網(wǎng)格劃分是在10mm～30mm左右，為有效減輕重量可以將內(nèi)部填充網(wǎng)格加大到100mm～200mm用來保證模具強度，在上層封面前增加一塊蓋板，保證封面不塌陷。經(jīng)驗證減少網(wǎng)格支撐，節(jié)約成本30%～50%；支撐蓋板使用同種材料，回收無阻礙。

5.2 三角空腔減重打印方案研究

正常打印內(nèi)部均為網(wǎng)格填充模式，為了減輕重量，將打印模型底部設(shè)計成多個10°～45°斜面的三角空腔。這樣將不需要打印支撐，此方案可以有效減輕模具重量。經(jīng)過試驗驗證減少網(wǎng)格支撐，節(jié)約材料成本20%左右。通過以上兩種打印結(jié)構(gòu)研發(fā)，解決了打印大型產(chǎn)品時模具結(jié)構(gòu)的問題，大幅度降低了模具重量從而降低了模具成本。

圖13 打印過程

圖14 成型產(chǎn)品

6 結(jié)語

本文將FDM打印模具應(yīng)用中的常見問題進行了歸納總結(jié)，提出了相應(yīng)的解決措施。在原材料使用、打印效率、模具結(jié)構(gòu)、模具成本、模具質(zhì)量、市場開發(fā)等方面做出了改進，充分利用FDM打印的優(yōu)勢，使FDM模具具有市場競爭力，并得到廣泛應(yīng)用，已真正實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。