程 宏，任曉東，王凌青，李 新，龐雪利

(1. 同濟(jì)大學(xué) 工程實踐中心，上海 200092)(2. 南京航空航天大學(xué)機電學(xué)院，江蘇 南京 210016)

1 前 言

3D打印技術(shù)自20世紀(jì)80年代以來，經(jīng)過了長足的發(fā)展，從工藝類型上分為熔融沉積打印、分層實體制造打印、選擇性激光燒結(jié)打印和熔融沉積打印4種類型。熔融沉積3D打印機因其結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉等優(yōu)點，得到了廣泛應(yīng)用，但其打印材料比較有限，只能打印ABS、PLA等工程塑料。如何將低熔點金屬應(yīng)用到熔融沉積打印機是一個充滿挑戰(zhàn)性的課題。目前，華中科技大學(xué)秦繼昊等利用自制的熔融沉積快速成型(FDM)系統(tǒng)對低熔點金屬材料Sn99.3Cu0.7的熔融沉積進(jìn)行了研究，實現(xiàn)了單層和多層金屬的熔融沉積實驗[1]，德克薩斯大學(xué)的Jorge mireles利用Stratasys公司生產(chǎn)的FDM300型號的打印機對市場上常見的幾種低熔點合金焊絲的熔融沉積進(jìn)行了研究[2]。本文對純錫在熔融沉積打印機上的應(yīng)用進(jìn)行了理論探討，并從實驗角度進(jìn)行了相關(guān)研究。

2 ABS、PLA卷材和金屬錫的性能比較

2.1 粘流態(tài)溫度Tf和金屬錫的熔點Tm

熔融沉積打印原理是首先將打印材料熔化，然后將熔化后的材料由擠出機擠出，進(jìn)而開始模型的三維堆積，材料的形態(tài)發(fā)生了由固相到液相再到固相的變化。ABS和PLA為非晶聚合物，應(yīng)用到熔融沉積打印機時，噴頭的加熱溫度需高于其粘流態(tài)溫度Tf。金屬錫為晶體，噴頭的加熱溫度需高于其熔點Tm[3]。表1為ABS、PLA的粘流態(tài)溫度Tf和金屬錫的熔點Tm。

不同廠家生產(chǎn)的ABS和PLA的粘流態(tài)溫度Tf不同，故表1中的粘流態(tài)溫度Tf為溫度區(qū)間，在實際應(yīng)用時噴頭的加熱溫度為200～270 ℃之間，此加熱溫度高于金屬錫的熔點Tm。因此從熔點上考慮，金屬錫是較為理想的熔融沉積3D打印材料。

表1 ABS、PLA的粘流態(tài)溫度Tf和錫的熔點Tm
Table1TheviscousflowtemperatureTfofABS，PLAandthemeltingpointTmofTin

MaterialTf(℃)Tm(℃)ABS180～250-PLA120～170-Tin-231.96[3]

2.2 力學(xué)性能

卷材既需要具備一定的硬度，以保證在夾緊機構(gòu)的擠壓下不會變形，又需要具有一定的抗拉強度，以保證在夾緊機構(gòu)將卷材融入噴嘴時不會被拉斷。選用北京太爾時代生產(chǎn)的ABS塑料和Polymaker生產(chǎn)的PLA塑料進(jìn)行力學(xué)性能測試，表2為所測得的ABS、PLA的力學(xué)性能和錫的力學(xué)性能[3]比較。

表2 ABS、PLA和錫的力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of ABS, PLA and Tin

依據(jù)上表可知錫的屈服強度介于ABS和PLA塑料之間，硬度比ABS和PLA塑料稍好，抗拉強度和ABS、PLA塑料接近。因此從力學(xué)性能的角度考慮，金屬錫是較為理想的熔融沉積3D打印材料。

2.3 收縮率

材料熱收縮、熱脹冷縮的存在影響模型打印精度[4]。金屬錫是晶體材料，不存在熱收縮，僅存在熱脹冷縮。熔融沉積打印機打印的模型層與層之間依靠自身的粘性粘結(jié)，選用北京太爾時代生產(chǎn)的ABS塑料和polymaker生產(chǎn)的PLA塑料進(jìn)行特性收縮率及粘度進(jìn)行測定。表3為所測得的ABS塑料、PLA塑料的收縮率及粘度與錫的收縮率及粘度[3]對比。

由表3可知，錫的收縮率比ABS和PLA的收縮率小5～6個數(shù)量級，基本上可以不用考慮冷卻變形問題。因此，從材料熱收縮和收縮率的角度考慮，金屬錫是理想的熔融沉積3D打印材料。

表3 ABS、PLA塑料和錫的收縮率和粘度
Table3TheshrinkageandviscosityofABS,PLAplasticsandTin

Material Shrinkage(%)ViscosityABS12 dL/gPLA0.26 dL/gTin[3]0.00002670.001593 Pa·s(320 ℃)

2.4 熔化后或軟化后的粘性

熔融沉積打印機打印的模型層與層之間依靠自身的粘性粘結(jié)，選用北京太爾時代生產(chǎn)的ABS塑料和polymaker生產(chǎn)的PLA塑料進(jìn)行特性粘度測定。結(jié)果如表3所示，表中ABS和PLA塑料的粘度為特性粘度[5]，錫的粘度為動力粘度[3]，依據(jù)經(jīng)驗公式(1)可計算錫的特性粘度[5]：

η=ηm×10(2.48-3300/T)

(1)

式中η為特性粘度，ηm為動力粘度。解得錫的特性粘度為1.3100614315812 ×10-6dL/g，因此錫的粘性差于ABS和PLA塑料，這也可能會影響錫用作熔融沉積打印機打印材料。

3 錫絲打印實驗

設(shè)置打印速度為60 mm/s，打印溫度為240 ℃，打印層厚為0.2 mm，噴嘴按80 mm×40 mm的矩形軌跡移動，得到堆積結(jié)果如圖1所示。

圖1 錫絲堆積試驗結(jié)果Fig.1 Result of the stacking experiment of tin wire

可見，錫絲可以很好地堆積在打印板上，但同時也會出現(xiàn)堆積不穩(wěn)定均勻的情況。分別改變速度、溫度、層厚，可以得到不同條件下錫絲堆積長度與軌跡總長度的比值(以百分比表示)，并據(jù)此做出相應(yīng)的折線圖。

3.1 不同速度打印

噴嘴的溫度設(shè)置為232 ℃，打印層厚設(shè)置為0.2 mm，打印速度分別設(shè)置為30，40，50，60，70和80 mm/s。實驗結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，打印速度過快或過慢均不利于錫絲的堆積，并當(dāng)打印速度超過60 mm/s時，堆積長度急劇下降，故最佳打印速度在60 mm/s左右。

圖2 不同速度打印結(jié)果Fig.2 The printing results under different speed

3.2 不同層厚打印

噴嘴溫度設(shè)置為232 ℃，打印速度設(shè)置為60 mm/s，打印層厚分別設(shè)置為0.15, 0.2, 0.25, 0.3, 0.35 和0.4 mm。實驗結(jié)果如圖3和圖4所示。

圖3 不同層厚打印結(jié)果Fig.3 The printing results under different thickness

圖4 層厚為0.3 mm時錫絲堆積圖Fig.4 Tin wire stacking diagram with a thickhess of 0.3 mm

由圖3和圖4可知，打印層厚越大，錫絲的堆積長度越短。打印層厚超過0.3 mm時，會出現(xiàn)液滴堆積在打印板上的情況。

3.3 不同溫度打印

打印速度設(shè)置為60 mm/s，打印層厚設(shè)置為0.2 mm的情況下，打印溫度分別為232，237，242，247和252 ℃。實驗結(jié)果如圖5所示，由圖可知，打印溫度越高，錫絲堆積長度越短。

圖5 不同溫度打印結(jié)果Fig.5 The printing results under different temperature

4 圖形打印試驗

由錫絲打印實驗可知，速度、層厚和溫度影響錫絲在打印板上的堆積，具體影響堆積長度和是否出現(xiàn)液滴堆積的現(xiàn)象。打印速度為60 mm/s、打印層厚為0.2 mm、打印溫度為232 ℃是一組比較合理的參數(shù)設(shè)置，并以此設(shè)置進(jìn)行矩形模型打印試驗，結(jié)果如圖6所示。

圖6 矩形模型打印結(jié)果Fig.6 Result of rectangle model printing

由圖6可知，錫絲在打印板上堆積效果較差，試驗失敗，推測原因為錫的粘結(jié)性不足。通過進(jìn)一步在打印板上涂粘結(jié)劑，進(jìn)行單層和雙層矩形打印試驗，結(jié)果如圖7和圖8所示。

由圖7和圖8可知，加入膠水粘結(jié)劑后，錫絲在打印板上粘結(jié)效果較好。但當(dāng)打印第二層時，失去了膠水的粘結(jié)，由于壓力和剪切力的存在，已堆積好的第一層被破壞，最終堆積試驗失敗。

圖7 涂粘結(jié)劑單層矩形模型打印結(jié)果Fig.7 Result of single-layer rectangular printing with coating adhesive

圖8 涂粘結(jié)劑雙層矩形模型打印結(jié)果Fig.8 Result of double-layer rectangular printing with coating adhesive

5 結(jié) 論

綜上所述，從熔點和力學(xué)性能的角度考慮，錫有作為熔融沉積3D打印材料的可能性。液錫的流動性過好導(dǎo)致錫絲堆積不均勻，這可以通過改變層厚、溫度和打印速度解決；粘性較差導(dǎo)致的堆積不均勻，可以通過在打印板上加入粘結(jié)劑來提高粘結(jié)效果，這也反證了理論分析的正確性。錫絲目前在使用上最大的障礙是粘結(jié)力不足，最佳的改善途徑為在純錫中加入添加劑(或進(jìn)一步探討錫合金材料)，以改善粘性。