熔融沉积型3D打印工艺优化研究

摘 要：针对熔融沉积型3D打印时喷嘴容易堵塞、打印件翘曲变形等问题。综合分析了影响喷嘴堵塞和打印件翘曲变形的要素，经过多组实验后采用全程加热打印平台并维持110。左右，层厚0.3mm，打印速度为″快速″，填充量为″松散″的工艺参数组合。试验结果表明选择优质的材料、使用优化后的工艺参数，堵塞和翘曲现象明显改善。

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，加快了打印件底層收缩不均匀现象，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。