高學(xué)群

（常州劉國(guó)鈞高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，江蘇 常州 213025）

3D打印技術(shù)誕生于上世紀(jì)80年代后期，是快速成型技術(shù)的一種。按照原理的不同，目前3D打印技術(shù)主要包括立體光固化成型（SLA）、選擇性激光燒結(jié)成型（SLS）、熔融沉積成型（FDM）等工藝。其中，熔融沉積成型（FDM）技術(shù)是目前普及率較高的3D打印技術(shù)，廣泛被桌面級(jí)3D打印機(jī)所采用。FDM技術(shù)所使用的材料一般為丙烯腈、丁二烯和苯乙烯共聚物（ABS）或聚乳酸（PLA）。由于受到各種因素的影響，采用熔融沉積成型（FDM）工藝3D打印的零件實(shí)際尺寸往往小于設(shè)計(jì)尺寸，即零件成型后往往會(huì)出現(xiàn)收縮現(xiàn)象，嚴(yán)重影響制件精度，導(dǎo)致打印出的零件不能滿足使用要求。因此，有必要對(duì)3D打印零件的收縮率進(jìn)行分析。文章將以一種聚乳酸（PLA）為成型材料，利用Makerbot品牌的FDM工藝3D打印機(jī)作為分析平臺(tái)，通過(guò)打印分析，分析3D打印零件尺寸收縮率的變化規(guī)律。

1 分析方案

1.1 原料

分析所采用3D打印成型材料參數(shù)如表1所示。

表1 分析所采用3D打印成型材料參數(shù)

1.2 設(shè)備及儀器

文章所使用的3D打印機(jī)為Maker Bot Replicator Z18，該打印機(jī)殼體采用粉末涂層鋼板和鋁合金制造，且打印機(jī)托盤位于機(jī)箱內(nèi)，所以在本分析中，忽略外界環(huán)境溫度對(duì)打印精度的影響。該打印機(jī)為一臺(tái)工業(yè)級(jí)的3D打印機(jī)，層分辨率為100μm。測(cè)量打印成型后的零件尺寸所用的工具為精確度為0.02mm的游標(biāo)卡尺。

1.3 打印參數(shù)設(shè)置

為了獲取較高的打印精度，打印層片厚度設(shè)定為0.05mm，噴嘴溫度設(shè)定為215℃，其它參數(shù)按照MakerBot Desktop軟件的高精度值進(jìn)行設(shè)置。

2 分析結(jié)果與分析

2.1 數(shù)據(jù)測(cè)量

打印完成后，通過(guò)Maker Bot Replicator Z18自身所帶的溫度傳感器觀察機(jī)箱內(nèi)的溫度，待溫度降低為20℃時(shí)，將打印試件從平臺(tái)上取下來(lái)。

用游標(biāo)卡尺測(cè)量打印后的正方體邊長(zhǎng)D和方孔邊長(zhǎng)d實(shí)際尺寸。為了減少測(cè)量中的誤差和不確定度，采取沿著半徑不同方位多次測(cè)量取平均值的方法來(lái)獲取最終的分析結(jié)果。收縮率的計(jì)算公式為：

式中，D為理想尺寸：M為實(shí)際測(cè)量尺寸。

2.2 邊長(zhǎng)收縮率

表2列出了打印結(jié)束后，使用游標(biāo)卡尺實(shí)測(cè)得到的零件邊長(zhǎng)尺寸。根據(jù)表2分析得到的邊長(zhǎng)尺寸收縮率與零件邊長(zhǎng)之間的關(guān)系。從圖2可以看出，不同尺寸的試件邊長(zhǎng)均出現(xiàn)了一定程度的收縮，收縮率在0.15%～0.7%。

表2 使用游標(biāo)卡尺實(shí)測(cè)得到的零件邊長(zhǎng)尺寸mm

隨著試件邊長(zhǎng)尺寸數(shù)值的增加，邊長(zhǎng)的收縮率也呈現(xiàn)出增加的趨勢(shì)。此外，方孔邊長(zhǎng)d的大小對(duì)試件邊長(zhǎng)收縮率有一定的影響，在試件邊長(zhǎng)值固定的情況下，方孔邊長(zhǎng)d越大，試件邊長(zhǎng)收縮率也越大。

列出了孔徑收縮率與孔徑尺寸之間的關(guān)系?？梢?，在試件邊長(zhǎng)D固定不變的情況下，孔徑越大，孔徑收縮率越小?？讖降氖湛s率同樣受到試件邊長(zhǎng)的影響，相同孔徑下，試件邊長(zhǎng)越大，孔徑的收縮率也越大。

3 分析驗(yàn)證

表3 考慮收縮率后再次打印試件后測(cè)量得到的尺寸mm

3.1 試件模型重建

根據(jù)2.2和2.3小節(jié)分析得到的分析結(jié)果，利用Solid works軟件重新建立了CAD試件模型，在建模時(shí)考慮邊長(zhǎng)和孔徑收縮率對(duì)實(shí)際尺寸的影響，按照式（2）計(jì)算得到模型的邊長(zhǎng)和孔徑CAD模型尺寸。

式中，C為收縮率，對(duì)于邊長(zhǎng)，C的范圍為0.15%～0.7%，對(duì)于方孔，C的范圍為0.1%～0.3%，D為理想尺寸。為CAD模型中的實(shí)際設(shè)計(jì)尺寸。

3.2 再次打印試件驗(yàn)證

表3為考慮收縮率重新建模后，3D打印得到的部分試件邊長(zhǎng)和內(nèi)孔尺寸。

從表3可以看出，在建模時(shí)考慮收縮率，重新打印得到的試件邊長(zhǎng)和內(nèi)孔實(shí)際尺寸與設(shè)計(jì)尺寸之間的誤差明顯小于未考慮收縮率時(shí)的尺寸誤差。

4 結(jié)語(yǔ)

文章以一種聚乳酸（PLA）為成型材料，利用Makerbot品牌的FDM工藝3D打印機(jī)作為分析平臺(tái)，分析了3D打印過(guò)程中方形試件的邊長(zhǎng)和方孔尺寸收縮率的變化規(guī)律。并根據(jù)分析結(jié)果，得出了零件尺寸收縮率補(bǔ)償方法。通過(guò)再次打印試件驗(yàn)證了該方法的有效性。