基于熔融沉積法的快速成形柔性絲材技術(shù)研究

張曉華，張李超，李智，史玉升

(1.華中科技大學(xué)，武漢 430074;2.哈爾濱理工大學(xué)，哈爾濱 150040)

增材制造(Additive Manufacturing，AM)是通過CAD設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采用材料逐層累加的方法制造實(shí)體零件的技術(shù)，相對于傳統(tǒng)的材料去除(切削加工)技術(shù)，是一種“自下而上”材料累加的制造方法[1]。AM技術(shù)自從20世紀(jì)80年代以來，已歷經(jīng)二三十年的持續(xù)發(fā)展，近年來隨著各國政府不斷增加的支持力度，受到越來越多的關(guān)注[2—7]。

AM技術(shù)不需要傳統(tǒng)的刀具、夾具及多道加工工序，利用三維設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)在一臺(tái)設(shè)備上可快速而精確地制造出任意復(fù)雜形狀的零件，從而實(shí)現(xiàn)“自由制造”，解決許多過去難以制造的復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的成形，并大大減少了加工工序，縮短了加工周期，而且越是復(fù)雜結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品，其制造的速度作用越顯著。根據(jù)加工材料和加工方式的不同，AM技術(shù)目前已經(jīng)分為SLS(Selected Laser Sintering，激光選擇燒結(jié))[8—9]、SLM(Selected Laser Melting，激光選擇融化)[10—12]、LOM(Laminated ObjectManufacturing，疊 層 實(shí) 體 制造)[13—14]、3DP(3 Dimensional Printing，3D 打印)、SLA(Stereo Lithography Apparatus，光固化成形法)[15—17]、FDM(Fused Deposition Modeling，重熔沉積法)[18]、LENS(Laser Engineered Net Shaping，激光近凈成形)等多種技術(shù)。

其中FDM技術(shù)，是目前發(fā)展較為成熟的一種，尤其是PLA，ABS等之類的硬質(zhì)材料，可以采用FDM技術(shù)進(jìn)行方便地打印。針對柔性材料，現(xiàn)在較多的是采用SLA技術(shù)進(jìn)行成形，但SLA技術(shù)必須采用液態(tài)原料，用紫外光進(jìn)行固化的工藝，對打印的外部環(huán)境要求較高，限制了其在某些特定環(huán)境中的應(yīng)用。相對來說，F(xiàn)DM技術(shù)對環(huán)境要求較低，僅采用簡單的加熱將絲材融化，就可以進(jìn)行3D打印成形。目前，硬性材質(zhì)的FDM技術(shù)日趨成熟，進(jìn)一步大力就柔性材料的FDM技術(shù)打印進(jìn)行研發(fā)，已經(jīng)是一個(gè)迫切需要解決的課題。

本課題基于上述思想，采用市面上普通的FDM設(shè)備，針對柔性材料打印的難點(diǎn)進(jìn)行分析，推導(dǎo)出柔性材料進(jìn)絲和設(shè)備、材料以及工藝參數(shù)之間的理論關(guān)系，基于柔性材料的熔融特性，分析工藝參數(shù)對制件表觀的影響，為進(jìn)一步深入研究柔性材料的FDM工藝奠定基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)方法

所選柔性材料為市面上常見的某廠家所產(chǎn)TPU(Thermoplastic polyurethanes，熱塑性聚氨酯彈性體橡膠)類耗材，抗拉強(qiáng)度約30 MPa，斷裂伸長率約為600%。所用設(shè)備為普通FDM機(jī)器，采用齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)絲，電阻加熱融化絲材，絲材直徑為1.75 mm，噴嘴直徑為0.4 mm，打印速度在20～100 mm/s可調(diào)，層厚控制可在0.06～0.30 mm之間，噴頭溫度加熱最高可達(dá)280℃，可以滿足絕大多數(shù)材料的打印需求。

首先將柔性絲材TPU固定安裝在支撐架上，絲材通過進(jìn)絲機(jī)構(gòu)進(jìn)入喉管和噴頭，采用電阻加熱融化，工作平板調(diào)平后開始打印。在打印之前，拆開相應(yīng)風(fēng)扇，露出進(jìn)絲齒輪，包括主動(dòng)輪和從動(dòng)輪，以方便觀察工作過程中進(jìn)絲工作過程。打印制件的形狀和尺寸如圖1所示，打印參數(shù)見表1，打印制件分為5組，每組采用相同的參數(shù)打印3個(gè)，挑選具有典型特征的制件進(jìn)行分析。具體打印參數(shù)如表1所示。

圖1 FDM打印件的形狀及尺寸Fig.1 Shape and dimensions of the part printed by FDM

表1 測試件打印參數(shù)Table1 List of technology parameters for the test part

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 柔性材料打印難點(diǎn)分析

柔性材料在FDM 3D打印過程中面臨的最主要問題就是纏絲，如圖2所示，在FDM工作過程中，主動(dòng)齒輪以一定的角速度ω順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，在從動(dòng)輪的配合下，帶動(dòng)一定直徑φl的線性材料向下運(yùn)動(dòng)，進(jìn)入喉管熔化，從直徑為φs的噴頭噴出進(jìn)行打印成形。如果打印所用的線性材料較軟，剛性不夠，或者下面喉管融化的料沒有及時(shí)從噴頭噴出，線性材料進(jìn)一步進(jìn)入喉管的阻力增加，則在主動(dòng)齒輪連續(xù)的旋轉(zhuǎn)下，線材就會(huì)從平臺(tái)和主動(dòng)齒輪之間的間隙處彎曲，主動(dòng)齒輪連續(xù)旋轉(zhuǎn)，彎曲演變?yōu)槔p絲，從而影響FDM的正常打印行為。從上述FDM工作過程以及分析可以看出，造成纏絲現(xiàn)象的主要原因有:①線性材料剛性不夠;②在主動(dòng)齒輪和下方的平臺(tái)之間有大于線性材料直徑的間隙存在;③齒輪旋轉(zhuǎn)角速度較大，與噴頭打印行為不匹配，造成進(jìn)絲阻力較大。其中第①條原因，是由打印需求決定的，不容易做出改變。針對第②條原因，可以在平臺(tái)的上部，通過連接喉管設(shè)置一個(gè)新的線性材料的通道，或者直接將喉管做長，伸出平臺(tái)上部一部分，使得喉管和齒輪制件的間隙小于線性材料的直徑，對柔性材料可能的纏絲起到阻礙作用。要想從根本上解決柔性材料的纏絲現(xiàn)象，主要還得從第③點(diǎn)入手，即協(xié)調(diào)匹配好絲材的進(jìn)絲量和噴頭噴涂量之間的關(guān)系。

圖2 FDM機(jī)器進(jìn)絲結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Sketch map of feed device of FDM machine

根據(jù)一定時(shí)間Δt內(nèi)進(jìn)入噴頭的線材體積等于噴頭噴出的融化體積:

整理后，得:

式中:v為噴頭運(yùn)動(dòng)速度;φs為噴嘴直徑;Δh為層厚;φg為齒輪外直徑;ω為齒輪角速度;φl為線材直徑。式(2)表明齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度和機(jī)器的機(jī)械結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)之間的關(guān)系。一般情況下，機(jī)器完成設(shè)計(jì)后，其噴頭直徑φs、齒輪外直徑φg以及線材直徑φl也都是確定值，則齒輪旋轉(zhuǎn)的角速度和噴頭的打印速度v，層厚Δh成正比關(guān)系，即噴頭運(yùn)動(dòng)速度v越大，層厚越大，齒輪旋轉(zhuǎn)也越快，以補(bǔ)充噴頭相同時(shí)間內(nèi)消耗的熔融絲材的體積。

需要指出的是，式(2)只是理論上的分析計(jì)算，在實(shí)際工藝中，各種誤差可能也會(huì)對纏絲造成影響，比如所采用的線性絲材直徑的誤差，如果誤差值一直在誤差范圍的上限，而且在連續(xù)打印的過程中持續(xù)性了一定時(shí)間，則也會(huì)造成絲材進(jìn)絲阻力增加，引發(fā)纏絲現(xiàn)象。

2.2 工藝參數(shù)對制件成形的影響

圖3為采用不同工藝參數(shù)打印件的宏觀形貌圖。從圖3中可以看出，不同的工藝參數(shù)打印件宏觀形貌有區(qū)別。表面質(zhì)量最差的是標(biāo)號(hào)為4的制件，在制件中，可以觀察到很多大小不一的孔洞，如果將這些孔洞對著光源觀察，可以看到這些孔洞基本上都是通孔。造成這種現(xiàn)象的原因，是TPU材料的粘絲現(xiàn)象。制件4的打印溫度為250℃，在這個(gè)溫度下，TPU材料內(nèi)部分子之間的粘性增加，在FDM打印過程中，熔融態(tài)材料經(jīng)噴嘴噴涂出之后，由于粘性太大，不能均勻地融敷在打印平板之上。FDM的特點(diǎn)與SLS或者SLM相反，后者具有自動(dòng)調(diào)平功能，也就是說，如果先期的打印過程中，后者出現(xiàn)層厚不均勻情況，在后面的打印過程中，會(huì)慢慢地趨于一致;而在FDM工藝中，先期的層厚不均勻，會(huì)造成后繼打印過程中這種不均勻狀況的進(jìn)一步加劇。

圖3 測試件宏觀形貌Fig.3 Appearance of the test part printed by FDM

從圖3中也可以看出，標(biāo)號(hào)為5的制件表面質(zhì)量相對較好，這也是和打印溫度有關(guān)。該件的打印溫度為220℃，相對較低，在打印過程中熔融態(tài)材料可以較好的融敷在平板上，從而打印制件相對光滑。制件1、制件2和制件3是在其他工藝參數(shù)相同的情況下，改變打印的層厚獲得的不同制件?？梢钥闯?，表面質(zhì)量和打印層厚并沒有很明顯的對應(yīng)關(guān)系，表面質(zhì)量較好的編號(hào)為2的制件，打印層厚為0.1 mm，而表面質(zhì)量相對較差的1制件和3制件打印層厚分別為0.2 mm和0.06 mm。首先應(yīng)該明確的是，通常說的層厚越小，打印精度越高，主要是指在鉛垂方向上，也就是說，層厚影響的精度，主要是在鉛垂方向上的精度。從圖3可以看出，層厚并不影響打印制件水平平面，那么，在工藝參數(shù)均相同的情況下，制件1和制件2以及制件3的表觀質(zhì)量不同，其原因主要是很少討論的一個(gè)參數(shù)，首層打印間隙，也就是指打印剛開始的時(shí)候，噴嘴和打印平板制件的距離。針對常見的PLA或者ABS硬質(zhì)打印材料來說，這個(gè)參數(shù)可能是一個(gè)相對寬泛的范圍，只要保證首層打印間隙落在這個(gè)范圍內(nèi)，即可以保證打印正常進(jìn)行，而針對TPU材料，其在一定的溫度下，粘性相對較較大，粘絲情況嚴(yán)重，其首層打印間隙的范圍相較于常見的硬質(zhì)材料，縮小很多，其重要性也越發(fā)凸顯。首層打印間隙太大，則由于TPU材料本身的粘性，經(jīng)噴嘴噴出的熔融態(tài)材料不能均勻的與打印平板粘合，在后繼的打印過程中，也不能彌補(bǔ)這一點(diǎn)，就會(huì)造成打印出來的制件表觀質(zhì)量相對較差。

為深入研究不同工藝參數(shù)對打印的影響，進(jìn)一步設(shè)計(jì)了圓環(huán)進(jìn)行FDM工藝研究，圓環(huán)每個(gè)水平面尺寸均不同，可以方便地觀察不同打印溫度對打印制件的影響。圖4a為230℃下打印不同層厚制件情況，圖4b為250℃下因不同層厚制件，可以看出，制件在250℃下打印，其成形質(zhì)量明顯要差于230℃下打印制件。250℃制件，表面凹凸不行，成形后有熔融態(tài)TPU材料的流淌發(fā)生，230℃成形制件較250℃成形制件表面質(zhì)量要好，流淌現(xiàn)象消失。在相同的冷卻情況下，溫度更高的熔融態(tài)TPU經(jīng)噴嘴噴出后，來不及固化，圓環(huán)上下截面有差異，則在重力的作用下發(fā)生流淌，影響制件表面質(zhì)量。在230℃下打印制件，隨著層厚的減小(圖4a從左向右厚度依次為0.2，0.1，0.06 mm)，表面質(zhì)量進(jìn)一步得到提升，0.1 mm 較0.2 mm有較為明顯的提升，而0.06 mm較0.1 mm已經(jīng)相差不大。250℃制件，其流淌現(xiàn)象在層厚為0.06 mm(圖4b右)較層厚為0.2 mm制件(圖4b左)為輕，主要原因?yàn)閷雍褫^小時(shí)，噴頭噴涂的熔融態(tài)聚合物量也減少，冷卻速度快，流淌減輕。

圖4 不同F(xiàn)DM打印溫度及層厚條件下的圓環(huán)實(shí)物圖Fig.4 Appearance of O ring printed by FDM at different printing temperature and layer thickness

3 結(jié)論

柔性材料TPU的FDM打印，由于材料較軟，打印過程中易于發(fā)生纏絲現(xiàn)象，需要在打印機(jī)器和工藝參數(shù)上做出相應(yīng)調(diào)整，才能順利打印。進(jìn)絲量和打印速度之間的匹配至關(guān)重要，一般應(yīng)該滿足下列公式:

即進(jìn)絲主動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)的角速度和打印速度v和打印層厚Δh成正比，比例系數(shù)取決于噴嘴直徑φs、主動(dòng)輪外徑φg以及所使用絲材的直徑φl。

柔性材料TPU的FDM打印，打印溫度和打印層厚對于打印制件表面質(zhì)量有較大的影響。打印溫度過高，TPU容易出現(xiàn)拉絲現(xiàn)象，在打印件中造成孔洞，其主要原因在于TPU材料粘性較大;同時(shí)，和硬質(zhì)材料的FDM工藝相比，首層打印間隙在柔性材料TPU的FDM工藝過程中，對后繼打印的狀況影響也越加明顯，打印前需要精確調(diào)整為合適的值。同時(shí)，溫度較高的TPU的FDM打印，在水平截面不等同的情況下，容易造成熔融態(tài)材料流淌狀況，影響制件表觀質(zhì)量。

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