基于熔融沉积3D打印翘曲变形的工艺参数优化

严小军，张　路，董蓉桦，罗凯元，唐照芳

(北京航天控制仪器研究所，北京 100039)

0　引言

熔融沉积制造(Fused Deposition Modeling，FDM)是应用较成熟的一种非金属增材制造技术，它采用热塑性材料，成形过程中材料在打印头中加热挤出，喷头沿填充轨迹运动的同时将熔化的材料挤出，材料离开喷嘴后迅速降温凝固，并与周围的材料凝结在一起形成三维实体零件[1-2]。

与传统的加工制作方法相比，熔融沉积技术在制作成本、效率、通用性和柔性等方面有很大的优势，因此广泛应用于产品的模样阶段，实现快速原型制造，也可作为最终产品的非承力构件使用。但在大尺寸零件的成形过程中，零件翘曲变形导致精度的丧失仍是熔融沉积增材制造技术面临的一个最为突出的问题[3-4]。

本文首先针对熔融沉积过程的翘曲变形优化方法进行了分析，随后以成形工艺参数为研究对象，通过正交试验研究各因素的影响规律，得到优化的工艺参数，达到了抑制翘曲变形的目的。

1　熔融沉积过程的翘曲变形优化方法分析

非金属材料零件熔融沉积3D打印过程中，材料第一层首先被熔融-挤压-冷却固结在成型基板上，如图1所示，成型过程中所受力分别为F收缩和F粘结。其中，收缩力F收缩是材料收缩带来的，粘结力F粘结是基板上第一层材料成型固结后对零件的粘结力。成型过程中，当收缩力大于粘结力时，会发生翘曲，如图1(b)所示[5]。

抑制打印过程的翘曲变形问题主要通过两个方面：1)提高基板对于零件的结合力；2)降低材料在打印过程中的收缩量。而提高基板对于零件的结合力，可通过设备厂家建议的基板上涂覆水溶性固体胶、调节喷头初始打印高度、成型过程前的基板温度预加热等方式实现。本文主要探讨通过工艺参数的优化来减小打印过程中材料的收缩趋势，从而抑制翘曲变形的产生[6]。

2　翘曲变形评价及工艺试验设计

试验采用一种通过图像识别获取特定层变形量的翘曲变形的评价方法，主要分为图像获取和图像处理两个步骤。图像获取方面，设计了薄壁试验件，如图2所示。试验件的厚度为0.8mm，打印过程中通过双喷头或打印暂停换丝的方式，实现黑色/白色的混色打印，黑白交替部分即为待评价变形量的特定层。将零件放置24h后，放入平板扫描仪进行扫描(扫描精度优于1200dpi)，提取扫描后的图片。图像处理方面，采用Opencv软件读取扫描后的图片，进行去噪声、阈值分割等预处理，随后进行边缘检测并提取黑白交替部分的轮廓点集，通过对轮廓点和端点分别进行抛物线拟合和直线拟合，即可计算获得翘曲量的大小。

图3为翘曲试样的测量示意图，零件中间红色实线为翘曲后的边界抛物线，黑色虚线为不翘曲时的理论边界线，通过测量抛物线距离理论边界线的距离f来表征翘曲量的大小。翘曲变形参数优化试验的设计，采用Raise品牌的3D打印机，如图4所示。选择收缩率较大的ABS材料，试验时，基板预热温度为100℃，采用固体胶将零件底部粘附于基板表面，通过薄壁结构自身的变形量来表征翘曲程度。设计3因素3水平正交试验，研究喷头温度、扫描速度、切片厚度3个参数对翘曲量的影响规律，如表1所示。

水平1水平2水平3喷头温度/℃220230240扫描速度/ mm/s 253545切片厚度/mm0.10.150.25

3　试验结果与分析

图5为平面扫描后的翘曲试样的变形图片。表2为获取的翘曲量的正交试验表格，采用极差分析法进行分析，并分别对喷头温度、扫描速度、切片厚度3个参数对于翘曲变形量的影响规律进行分析讨论。

试验序号喷头温度/℃扫描速度/ mm/s 切片厚度/mm翘曲量/mm1220250.10.04182220350.150.06713220450.250.15014230250.150.13755230350.250.22846230450.10.40677240250.250.32798240350.10.29859240450.150.2455

3.1　工艺参数对翘曲的影响规律

1)喷头温度的影响。通过正交试验分析，图6为各工艺参数指标对翘曲变形量的影响规律图。分析喷头温度对翘曲量的影响，随着喷头温度的升高，翘曲量增加。这是因为打印过程中，丝材从喷头温度冷却到玻璃化温度并继续冷却到室温的过程中，产生的线收缩量与温度差正相关，因此温度差越大，产生翘曲量越大。而当喷头温度继续升高，翘曲量增加的幅度有所减小，分析认为增加的温度区间处于丝材处于熔融态，该阶段丝材收缩应力会部分转变为丝材本身的形态变化，因此温度的升高并不会引起翘曲量的线性增加[7-8]。

2)扫描速度的影响。随着扫描速度的增加，翘曲量逐渐增加。实验中，由于喷头挤出速率保持不变，因此随着扫描速度变慢，每一层堆积的材料量会相应增加，而扫描长度可视为保持不变，扫描线宽增加，抵抗各方向变形能力增强，整体收缩量会减小。

3)切片厚度的影响。当切片厚度为0.15mm时，得到最优的翘曲变形量。由于喷头挤出速率保持不变，因此随着切片厚度变小，每一层堆积的材料量不变，线宽增加，整体的收缩量应呈现为减小的趋势；但切片厚度进一步减小，成形丝材厚度方向被严重挤压，使得在温度收缩的基础上加入了挤压收缩，收缩量反而增大。因此，切片厚度对翘曲变形的影响存在一个理论上的最优值。

3.2　优化的成形工艺参数

为减小翘曲变形，应尽量选择较低的喷头加热温度和扫描速度。喷头温度方面，考虑丝材的挤出流动性(推荐打印220℃～250℃)，确定最优的打印温度为220℃。扫描速度方面，考虑抑制翘曲变形的产生，应选择较低的扫描速度；但考虑到提高打印效率，确定优化的扫描速度为35mm/s，切片分层厚度确定为0.15mm。

采用优化后的成形参数，并考虑零件摆放及支撑添加策略，完成了某无人机外壳零件的成形，最大直径尺寸为296mm，成形过程中未发生翘曲变形等问题，如图7所示。

4　结论

本文通过设计翘曲变形的正交参数优化试验，研究了喷头温度、扫描速度、分层厚度等工艺因素对翘曲变形的影响规律，得到优化的工艺参数，达到了提高抑制翘曲变形的目的。

1)翘曲变形是影响熔融沉积3D打印质量的重要因素，通过正交优化试验的方法获得了不同工艺参数下零件的翘曲量，优化后的工艺参数喷头温度为220℃，扫描速度为35mm/s，切片厚度为0.15mm。

2)根据试验结果，分析了各参数对熔融沉积过程中翘曲变形的影响规律，并给出了减小翘曲变形的措施。

3)验证了一种通过图像识别获取特定层变形量的翘曲变形评价方法，该方法也可用于不同材料的收缩率评价。

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