FDM快速成型工藝支撐結(jié)構(gòu)參數(shù)的實驗研究

范孝良,李傳帥,代紅川,趙 沖

(華北電力大學 機械工程系,河北 保定 071003)

FDM快速成型工藝支撐結(jié)構(gòu)參數(shù)的實驗研究

范孝良,李傳帥,代紅川,趙 沖

(華北電力大學 機械工程系,河北 保定 071003)

支撐添加技術(shù)決定著打印零件的成敗,是熔融沉積(FDM)工藝中一項關(guān)鍵技術(shù).支撐的作用主要是保持零件形狀、減少翹曲變形.支撐只是一種輔助結(jié)構(gòu),打印完成后應(yīng)便于去除.為了進行支撐工藝參數(shù)的優(yōu)化研究,討論了支撐的添加規(guī)則,通過正交試驗對FDM工藝中支撐添加技術(shù)進行研究,得到了使支撐易于去除的最佳工藝參數(shù).并通過試驗確定了零件懸空部分不加支撐即可成形的極限尺寸,具有重要的實際參考價值.

3D打印; 熔融沉積; 正交試驗法; 支撐結(jié)構(gòu); 懸空特征

0 引言

3D打印又稱增材制造技術(shù),按照ASTM F42標準的定義[1],3D打印是以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ),運用機械工程、材料工程、控制工程等技術(shù)手段,通過材料逐層堆積成形的技術(shù).根據(jù)技術(shù)原理的不同,3D打印技術(shù)可以分為多種不同的類型[2],其中以熔融沉積(FDM)、分層實體制造(LOM)、三維印刷(3DP)、選擇性激光燒結(jié)(SLS)以及光固化成形(SLA)這5種3D打印技術(shù)應(yīng)用最為廣泛.

在FDM工藝中,支撐技術(shù)是決定零件打印成敗的一項關(guān)鍵技術(shù)[3].支撐包括基底支撐和對零件原型的支撐兩種[4],見圖1.FDM工藝過程是噴頭熔融擠壓熱塑性材料而逐層疊加成形.當層間的形狀差別比較大,上層截面大于下層截面時,就需要添加支撐來保證打印過程順利進行[5-6].支撐的主要作用是保持零件形狀、減少零件的翹曲變形,防止零件懸空部分的塌陷.

圖1 FDM工藝原理與支撐Fig.1 Process principle and support structure of FDM

目前研究主要集中在支撐生成算法[7-9]和支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計策略[10-11]等方面,很少有針對支撐結(jié)構(gòu)工藝參數(shù)方面的研究.合理的設(shè)置支撐工藝參數(shù),可以在保證成型精度的前提下,減少支撐的生成,便于支撐結(jié)構(gòu)的去除.文獻[12]從理論分析的角度,采用有限元分析方法,總結(jié)出支撐添加的規(guī)則.文獻[13]為了更好地去除支撐,研究了支撐工藝參數(shù)對加工質(zhì)量的影響.文獻[14]針對零件懸空部分支撐的問題,通過實驗方法得到了懸空特征無需添加支撐即可成形的零件懸空參數(shù).支撐工藝參數(shù)的設(shè)置直接影響成型精度,決定著支撐結(jié)構(gòu)的強度和可去除性.本文將通過實驗的方法研究支撐結(jié)構(gòu)工藝參數(shù)對加工質(zhì)量的影響.

1 FDM支撐工藝

1.1 支撐的工藝參數(shù)[13,15]

支撐生成的工藝參數(shù)決定著支撐生成的時間、數(shù)量和強度.

(1) 支撐的填充間距w。支撐的填充間距就是相鄰支撐路徑之間的距離,決定著支撐結(jié)構(gòu)疏松程度和支撐與零件的分離難易程度.取值過大,支撐結(jié)構(gòu)稀疏,易造成零件表面與支撐接觸的部分質(zhì)量不好.取值過小,支撐結(jié)構(gòu)緊密,強度太高,致使支撐難以分離.

(2) 支撐臨界角度α。當零件傾斜角度(垂直于打印平臺是90°)大于這個給定角度α時,將不會產(chǎn)生支撐材料.角度越小,生成的支撐越少.

(3) 支撐的出料速度v。支撐的出料速度主要影響支撐的強度和零件的成形時間.一個合理的出料速度,既能保證打印的順利進行又能節(jié)省打印時間.

(4) 支撐填充方式。蜂窩狀填充結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,線條連貫.一般選擇直線型填充.某些特定的模型更適合特定的填充模式,可以根據(jù)個人愛好選擇,并觀察效果.

(5) 支撐與打印物體的距離d。指支撐材料在X/Y方向和物體的距離、在Z方向和打印物體的底部和頂部的距離.一個合適的距離可以使支撐不會和打印物體黏結(jié)在一起,容易被去除.

1.2 支撐的添加原則

在實際添加支撐的過程中,掌握支撐添加的原則很有必要[16]:

(1) 支撐的強度與穩(wěn)定性。添加支撐的作用是為打印件提供定位與支撐,避免零件懸空部分發(fā)生塌陷.因此,支撐應(yīng)具有足夠的強度和穩(wěn)定性.如果支撐強度不足,支撐自身就會容易變形.如果支撐強度太高,支撐便難以去除.支撐的強度與穩(wěn)定性和支撐材料性能、支撐填充形式、填充間距等有關(guān).

(2)支撐的制作時間。FDM作為快速成形技術(shù)的一種,在保證成形質(zhì)量的前提下,應(yīng)盡量少添加支撐,甚至不添加支撐,以減少打印時間和材料.所以研究零件懸空部分無需添加支撐的技術(shù)就很有必要,本文將通過試驗的方法討論無支撐添加技術(shù).支撐的制作時間與支撐的填充間距、支撐打印速度等有關(guān).

(3) 支撐的可去除性。在零件打印完成時,支撐結(jié)構(gòu)要易于去除,以便于打印件的后處理.現(xiàn)在處于研究熱點的水溶性支撐材料,很好的解決了這個問題.但是對于單噴頭打印機,支撐材料與原型材料一樣,支撐材料是否容易去除至關(guān)重要.下面通過實驗的方法研究支撐工藝參數(shù)對支撐可去除性的影響,找出支撐容易被去除且同時保留足夠強度的最佳工藝參數(shù).

2 支撐工藝參數(shù)的實驗研究

2.1 試驗加工方案

正交試驗設(shè)計(Orthogonal experimental design)使用現(xiàn)成的正交表來安排試驗,是研究與處理多因素試驗的一種科學有效的方法,突出的優(yōu)點是其減少了試驗次數(shù),因此已經(jīng)在工程領(lǐng)域取得了廣泛應(yīng)用[17].根據(jù)工藝參數(shù)分析,選取支撐填充間距、支撐臨界角度和支撐出料速度為研究對象,通過正交試驗法來研究支撐工藝參數(shù)對零件加工質(zhì)量影響.

試驗采用FDM工藝3D打印機,以下圖所示飛機模型為測試件,成型材料為直徑1.75 mm的PLA.其他工藝參數(shù)設(shè)置為噴嘴直徑0.4 mm,層高0.1 mm,打印溫度210 ℃,熱床溫度60 ℃,填充形式選擇為直線型填充.

試驗因子與水平對照表如表1所示,安排一個三因素三水平的試驗,三因素即支撐填充間距w、支撐臨界角度α、支撐出料速度v,分別標記為A,B,C.三水平即將每一個因素分為三個水平,標記為1,2,3.選用L9(34)正交表[18],安排試驗如表2所示.

表1 試驗因子與水平表Tab.1 Experiment factor and level table

表2 試驗安排表Tab.2 Experiment arrangement

2.2 實驗加工結(jié)果

圖2 測試成功樣件(A1B3C3組合)Fig.2 Successful samples

圖3 測試失敗樣件(剩余支撐難以去除)Fig.3 Unsuccessful samples

通過以上正交試驗,得到使支撐容易去除的最佳工藝參數(shù)組合A1B3C3,即支撐臨界角度α=20°、支撐出料速度v=90 mm·s-1、支撐填充間距w=4 mm,該成型件如圖5所示.采用該支撐工藝組合,在滿足支撐強度的條件下,所需支撐較少,支撐便于去除.圖3中零件打印失敗皆是因為支撐難以去除,去除過程中會嚴重影響零件表面質(zhì)量,甚至破壞零件.

通過該試驗發(fā)現(xiàn),支撐工藝參數(shù)的設(shè)置至關(guān)重要.合理的工藝參數(shù)組合可以節(jié)約打印材料,節(jié)省打印時間,保證成型精度.在實際打印過程中,不同的打印模型對支撐工藝參數(shù)的要求也不一樣.總體原則是,在保證成型精度的前提下,支撐臨界角度宜取較小值,支撐填充間距宜取較大值,以減少支撐的生成;支撐打印速度宜取較大值,以節(jié)省打印時間.

3 無支撐成形技術(shù)的實驗研究

在上述飛機模型打印過程中會發(fā)現(xiàn),有些零件懸空部分在不添加支撐時也能較好地成形,因此探究無支撐成形技術(shù)具有重要的實際參考價值.

文獻[14]以ABS為原料,采用MEM工藝,對零件不加支撐的成形技術(shù)進行了試驗研究.但是針對于FDM工藝的,以PLA為原料的零件懸空特征無支撐成形的技術(shù)尚未見研究報道.PLA中文名為聚乳酸,是一種環(huán)?？山到獾男滦筒牧?具有優(yōu)于ABS材料的一些特點:熔點低,熔融時氣味適宜、流動性好,材料剛度好.

圖4 常見零件懸空特征Fig.4 Common dangling characteristics in part

3.1 試驗加工方案

試驗加工采用FDM工藝3D打印機,原材料絲狀塑料PLA,直徑為1.75 mm,噴嘴直徑0.4 mm,層高0.1 mm,打印溫度210 ℃,熱床溫度60 ℃.針對圖4中的懸空特征,設(shè)計測試零件如圖5所示.

3.2 試驗加工結(jié)果

從試驗結(jié)果圖6中可以看出,隨著零件懸空部分懸臂量的增加,懸臂區(qū)域的變形也隨之增大.對懸空特征的成形質(zhì)量分析見表3,對零件表面要求較低時,可以適當選擇較大的懸空尺寸.根據(jù)成形情況,最大懸空尺寸a可取9 mm,b取3 mm.該試驗得出的最大懸空尺寸可為實際加工提供參考作用.

圖5 測試零件Fig.5 Test parts

圖6 實驗結(jié)果圖Fig.6 Experimental result

表3 懸空特征成形質(zhì)量分析Tab.3 Molding quality analysis of dangling characteristics

只要變形量沒有超過成型精度的要求,就不需要添加支撐.這是因為在FDM工藝成形懸空部分底層時,擠出的絲料延噴嘴軌跡在空中迅速硬化,從而無需添加支撐即可形成懸空部分.

4 結(jié)論

在打印后處理的過程中,支撐的可去除性對零件質(zhì)量有著重要影響.合理設(shè)置支撐的工藝參數(shù),使支撐容易被分離,可以保證零件的表面質(zhì)量.本文通過正交試驗得到支撐結(jié)構(gòu)易被去除的最優(yōu)支撐工藝參數(shù)組合,即支撐臨界角度α=20°、支撐出料速度v=90 mm·s-1、支撐填充間距w=4 mm.

在運用FDM工藝成形零件時,對符合條件的零件懸空部分進行無支撐加工,可節(jié)省打印時間,減少材料的浪費,提高零件的表面質(zhì)量.隨著零件懸空部分尺寸的增大,懸空部分的成形質(zhì)量變差.本文中得出的最大懸空參數(shù)值可作為實際加工的參考.

另外,在實際成形零件時,應(yīng)合理調(diào)整零件成形方向,避免或減少生成支撐,可以提高零件成形效率和成形質(zhì)量.

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Experiment research on supporting structure parameters for fused deposition modeling

FAN Xiao-liang,LI Chuan-shuai,DAI Hong-chuan,ZHAO Chong

(College of Mechanical Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003, China)

In the printing process, the supporting design, a key technology in FDM, can keep the part shape and reduce the curl distortion. As an auxiliary structure, the support should be easily removed after printing. In order for optimal parameters, the supporting technologies are first investigated. As such, the support-additive technology is then studied on optimum parameters via orthogonal experimental design during FDM process. Finally, the maximum suspending dimensions of prototyping parts are confirmed via testing.

3D printing; fused deposition modeling; orthogonal experiment; support structure; suspended feature

本文為華北電力大學本科教育教學改革研究項目(13041501),教育部高等學?！皩I(yè)綜合改革試點”項目的研究成果.

范孝良(1962—),男,教授,碩士生導師.E-mail:wcx803@163.com.

TP 311.5

A

1672-5581(2016)06-0520-05