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熔融沉积型3D打印工艺优化研究

发布时间:2018-06-06 01:07:00 文章来源:未来智库    
    关键词:熔融沉积;3D打印;堵塞;翘曲;工艺优化
    DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.09.124
    1 引言
    熔融沉积型3D打印技术是将丝状材料加热到适当的温度使其熔化,然后通过喷嘴挤出,一个层面沉积完成后,打印平台按照预定的增量下降一个高度,再继续熔融沉积,直至完成整个打印件的典型打印技术。
    目前,熔融沉积型3D打印技术通常使用ABS、PLA材料。ABS具有较好热熔性,适合用于挤压成型。但在加温挤压过程中,喷嘴常出现堵塞现象,影响打印速度。由于打印件成型过程时,材料的形态经历了固体-熔融体-固体三相的变化,从而材料的温度经历快速提升到迅速降低两个阶段的变化,温度的剧变引起材料冷却时收缩不均匀;打印平台的温度与材料熔融体温度的差异,加快了打印件底�邮账醪痪�匀现象,导致打印件各个部位发生不同程度的翘曲甚至脱离打印平台,严重影响打印效果。因而重点研究喷嘴堵塞、打印件翘曲的影响因素,优化打印工艺参数,进而提高打印质量显得非常必要。
    2 打印缺陷的机理分析
    2.1 喷嘴堵塞问题分析和解决方法
    现象描述:在打印样件时,喷嘴不均匀出丝、间断出丝、甚至不能出丝。如图1所示。这种发生在喷嘴的缺陷,在使用以ABS、PLA等为原材料的熔融沉积型3D打印过程中尤为明显,严重影响打印进程和质量。
    原因分析:①选用的原材料中的杂质熔点高造成喷嘴堵塞;②选用的原材料的大小不规范,不能与喷嘴内径形成较好的过渡配合;③喷嘴的加热温度不稳定;④料盘上的原材料排列紊乱,相互缠绕卡住,影响正常送丝(如图2所示);⑤打印机挤压机构的齿轮松动,不能有效拉动材料。
    解决方法:①喷嘴加热时反向拉出材料,剪断一小节再将余下的材料通过导喉管插入喷嘴,等材料熔化后拔出,反复操作几次,直至最终出丝通畅;②取下喷嘴,用酒精灯烧热喷嘴,再用丙酮溶液清洗杂质;③选择粗细均匀、表面光泽度均匀、无杂质的原材料,用游标卡尺检测筛选;④UP!软件上选择正确的材料,一定要区分ABS和PLA。
    2.2 打印件翘曲变形缺陷
    现象描述:翘曲变形是熔融沉积型3D打印技术最常见的缺陷。在打印过程中,打印件的底部四周发生微量翘曲,随着打印时间的变化,翘曲变形逐步加剧,直至完全脱离打印平台,而狭长形打印件的翘曲变形最为明显。如图3所示。
    影响因素分析:大量打印实例表明,原材料的特性、打印速度、喷嘴温度、填充率、分层厚度、打印平台温度、样件的形状大小等因素都会引起打印件翘曲变形。
    打印速度对翘曲量的影响:UP!软件上能选择″普通″、″快速″、″精细″等三种的打印速度。在″普通″和″精细″的打印速度下,翘曲变形量较大。速度越慢,打印时间变长,打印件与打印平台的接触温度变异加剧,容易发生翘曲。速度越快,材料凝固不充分, 冷却时附加应力增加, 不利于均匀变形, 翘曲量较大。″快速″是较好的打印速度选择。
    分层厚度对翘曲量的影响:UP!软件上能选择0.2mm、0.25 mm、0.3 mm、0.35 mm等四种分层厚度。当分层厚度由0.2mm逐步升高到0.35mm, 打印件的表面质量和精度逐步降低。这是因为分层厚度升高增加了打印时新增层冷却时间, 新增层底部与顶部间的温差, 使得层间温度分布不均匀, 收缩不均匀增加, 冷凝内应力增加, 不利于降低样件翘曲变形量。
    填充率对翘曲量的影响:UP!软件上能选择″坚固″、″松散″、
    ″中空″、″大孔″等四种填充率。填充率″大孔″时, 内部支撑较弱, 使得外部丝材冷却收缩时受内部限制的作用较小, 由于冷却不均匀导致的变形较大,翘曲变形增大。填充率达到″松散″时,继续增大填充率达到″坚固″时虽然可以使得样件尺寸稳定性增加, 缺耗时耗材。
    打印平台温度的控制对翘曲量的影响:UP!软件上可设定″打印前期预热″、″全程不加热″、″全程加热″三种的打印平台温度控制方式。在打印时″全程不加热″的情况下,打印件翘曲量最大;前期预热的情况下,样品翘曲量较小;全程加热并保持110度左右,样件翘曲量最小。这是因为印平台适当的温度可以保证在打印成型过程中ABS材料整体散热缓慢均匀。
    优化方案:基于以上分析,可以从以下几个方面着手降低打印样件的翘曲变形量。①关闭喷嘴附近的风扇和机箱箱门;②在性能满足需求情况下,尽量避免打印薄壁、尺寸过大的打印件;③工艺参数设定″快速″、0.3mm、″松散″、″打印平台全程加热且温度需控制在110℃左右″。
    3 打印试验与验证
    3.1 设备与材料
    打印设备采用北京太尔时代科技公司的桌面级3D打印机UP mini及UP!切片软件,材料为直径为1.75mm 的ABS。
    3.2 打印件尺寸
    为了便于分析打印件的翘曲变形量。设计底面为100mm×20mm的薄壁件作为打印件进行试验。打印件模型图如图4所示。
    3.3 制定试验方案
    选取影响打印件质量的主要因素:打印速度、分层厚度、填充率、打印平台温度为研究对象。设计试验方案,试验参数如表1所示。
    3.4 试验结果
    与优化前参数相比,采用优化后的参数,打印过程喷嘴堵塞现象不明显、打印件翘曲变形量不明显。优化前后打印样件如图5所示。
    4 结束语
    通过改善打印环境,选择合格的原材料,采用优化后的工艺参数组合。喷嘴堵塞、翘曲变形现象得到有效缓解,为提高熔融沉积型3D打印质量提供新的思路。
    参考文献:
    [1]李金华.3D打印精度影响因素及翘曲分析[J].制造业自动化,2014(11)上:94-96.
    [2]田玉琬.FDM 3D打印件翘曲变形的工艺分析与优化[J].轻工科技,2016(06):61-91.
    [3]赖周艺.FDM 3D打印鳄鱼模型翘曲变形分析与优化[J].深圳信息职业技术学院学报,2014(12),1:20-22.
    作者简介:冯锐(1989-),男,四川广安人,本科,助教,从事机电一体化技术教学与研究。
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