FDM打印質(zhì)量缺陷及分析

高文嬙

摘 要：熔融沉積成形是一種3D打印成形工藝，其加工靈活性強、設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、材料成本低，在機械加工、教育等行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。但是受到工藝和設(shè)備精度的限制，其加工的制件會出現(xiàn)強度不夠、表面質(zhì)量差、扭曲錯位及翹曲竄動等缺陷，文章對主要缺陷產(chǎn)生的原因進行了分析，并總結(jié)了改善缺陷的主要方法。

關(guān)鍵詞：FDM打印；質(zhì)量；缺陷

中圖分類號：TP334.8 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）30-0082-02

1 FDM打印技術(shù)概述

熔融沉積成形Fused Deposition Modeling（FDM）是3D打印技術(shù)中的一種典型加工工藝。3D打印技術(shù)，又稱增材制造技術(shù)，是結(jié)合CAD技術(shù)將模型離散成有限個單元，并逐層加工堆積成形的加工方式[1]。英國《經(jīng)濟學(xué)人》雜志將3D打印技術(shù)喻為第三次工業(yè)革命的推動力量[2]。得益于累積加工方式，3D打印技術(shù)無需考慮減材制造中涉及的刀具所需空間和軌跡，因此其成形靈活性更高、設(shè)計難度低且生產(chǎn)周期短，目前廣泛應(yīng)用于機械加工、模具制造、教育、醫(yī)療及航空航天等多個領(lǐng)域。

3D打印技術(shù)起源于分層制造法，由J. E. Blanther在1892年提出，并在早期應(yīng)用于制作地形圖。1988年，美國3D systems研制出FDM打印技術(shù)，并發(fā)明了第一臺快速成形機，隨后DTM、Z Crop等多家公司也不斷研制并推出3D打印技術(shù)及設(shè)備，推動了3D打印技術(shù)的快速發(fā)展。國內(nèi)也積極開展了對于FDM技術(shù)的研發(fā)，西安交通大學(xué)、北京航空航天大學(xué)都相繼建立了工作室，同時市場也涌現(xiàn)出了大批的科技公司，成功研制出了FDM設(shè)備及接口軟件[3]，促進了該技術(shù)在國內(nèi)的推廣和應(yīng)用。

2 FDM打印技術(shù)原理

3D打印技術(shù)的基本原理是離散和堆積[4]。首先利用CAD或者逆向工程技術(shù)完成模型的建立，在程序處理的過程中，將構(gòu)建好的模型沿著一定的方向離散成有限個單元，每個單元可近似地看成平面，并生成加工軌跡。在加工的過程中，每次完成一個平面的加工，再通過層與層之間的連接進行堆積，累積成三維實體，最終完成三維成形。

熔融沉積成形原材料為絲狀塑料，加工時利用輥子將絲送入噴頭，塑料在噴頭高溫的作用下迅速融化，并由噴頭擠出并粘結(jié)至工作臺或已成形表面，隨后快速冷卻凝固，每粘結(jié)完一層，噴頭上升或工作臺下降一定高度，以進行下一層的粘結(jié)，如此循環(huán)最終獲得制件。制件完成后要進行去支撐、光滑表面等后處理操作[5]。

3 FDM打印主要質(zhì)量缺陷及分析

熔融沉積成形雖然有其快速便捷的優(yōu)勢，但也存在成形精度低、表面質(zhì)量差，加工速度慢等缺點。其生產(chǎn)的制件主要質(zhì)量缺陷有以下幾種：

3.1 強度不夠

強度不夠是FDM制件的主要問題，也因此限制了該技術(shù)的應(yīng)用范圍。強度問題主要是由于工藝和材料導(dǎo)致的。首先，打印材料對制件強度起著決定性作用，F(xiàn)DM應(yīng)用的材料為塑料，如工程塑料ABS，聚碳酸酯PC和聚乳酸PLA等。但不同的塑料強度差異很大，ABS材料的強度和韌性就明顯好于PLA材料，但由于PLA屬于生物降解材料，材料價格低廉且更加環(huán)保，應(yīng)用PLA材料的打印設(shè)備成本也相對較低，因此PLA材料在示范教學(xué)中應(yīng)用得更為廣泛。對于材料的選擇，應(yīng)綜合考慮制件性能需求、應(yīng)用范圍及經(jīng)濟性等多個因素，選擇更為合適的材料。其次，F(xiàn)DM的原理是將實體模型分成若干層，對每層進行打印，層與層之間依靠材料融化后重新凝固進行連接。而這種連接方式的強度則受到材料熱物理特性和模型的影響。當模型截面較小時，兩層之間的連接部分面積過小，則會導(dǎo)致連接強度不夠，在后期模型處理或受力的過程中很容易發(fā)生折斷。因此，在模型設(shè)計的過程中，應(yīng)盡量避免尺寸過小的連接部分。

3.2 表面質(zhì)量差

FDM打印過程中常出現(xiàn)的另一種缺陷是表面拉絲，這些絲有時呈點狀，有時呈長條狀，直接影響制件的表面質(zhì)量及使用性能，對于需要精密配合的制件，表面質(zhì)量差會直接導(dǎo)致裝配精度不達標甚至無法裝配。表面拉絲是由于噴頭在材料外表面停止擠出材料時，仍有一部分融化的材料受到重力的作用流出噴頭，附著在制件表面，形成點或長條?，F(xiàn)有設(shè)備大多通過在打印停止時進行材料絲回抽來緩解表面拉絲問題，該方法在每段程序打印完成后，噴頭抬起時加入一段程序，使材料絲反向運動，盡可能保證融化的材料不流出噴頭。回抽材料過少不能明顯改善拉絲現(xiàn)象，而回抽材料過多會導(dǎo)致下次打印的起始點不準，影響層與層之間的連接，因此要想通過回抽的方法改善表面拉絲問題，要求設(shè)備精度較高，尤其是對于給絲電機的精度，提出了較高的要求。對于已經(jīng)出現(xiàn)拉絲的制件，只能通過后期表面處理，用砂紙或銼刀等方式機械地去除多余材料，但也有可能會導(dǎo)致制件表面出現(xiàn)許多細小的材料屑，需要噴漆等進一步后處理以彌補表面質(zhì)量缺陷。

另一種表面質(zhì)量缺陷是由于支撐部分造成的。由于FDM是由下自上累積成形的，對于一些上部的突出結(jié)構(gòu)，必須從底部對其添加支撐結(jié)構(gòu)。若模型與支撐采用同種材料同時進行加工，后期只能用刀具去除支撐部分，則與支撐接觸的制件表面質(zhì)量會下降。部分機器模型和支撐采用兩種材料，支撐為水溶性材料，在后期處理時可用堿溶液融化支撐，所得到的制件表面質(zhì)量相對較好。

3.3 扭曲、錯位

在3D打印的過程中，也經(jīng)常出現(xiàn)制件上下兩部分相對位置發(fā)生移動，導(dǎo)致制件扭曲或錯位的情況。在連續(xù)打印中，這種上下不對應(yīng)的情況常常是由于已經(jīng)打好的部分受到外力的作用發(fā)生移動導(dǎo)致的，這種移動可能是由于模型與底板部分連接不牢固，使得在材料發(fā)生熱脹冷縮等變形時，從底板脫落導(dǎo)致的，也可能是由于機器精度不夠，噴頭在移動中撞擊到了已經(jīng)打印好的部分造成的。除此之外，在模型打印的過程中，人為的觸碰和干擾也會導(dǎo)致上下模型的錯位。

而錯位現(xiàn)象的產(chǎn)生更容易發(fā)生在斷點續(xù)打之后。隨著3D打印技術(shù)的不斷發(fā)展，斷點續(xù)打技術(shù)也越來越多的被采用，以打破3D打印過程需要設(shè)備長時間不間斷工作的限制，大大提升了該技術(shù)的靈活性。所謂斷點續(xù)打技術(shù)就是在打印的過程中，人為地停止打印，而此時打印機會在程序中進行標記，記錄打印進度及打印停止時噴頭的坐標參數(shù)，在下次繼續(xù)打印時，打印機會選擇從上一次標記的位置開始程序，將噴頭置于上次所處的坐標位置開始打印。在這一過程中，由于噴頭位置精度等因素的限制，記錄和重新讀取數(shù)據(jù)都存在一定的偏差，因此在續(xù)打后很容易出現(xiàn)上下錯位的情況。通常續(xù)打完成的制件，可在制件表面觀察到續(xù)打的痕跡，表明該技術(shù)仍需進一步的改進和完善。目前續(xù)打技術(shù)多應(yīng)用于一些形狀簡單、精度和表面質(zhì)量要求不高的制件中。endprint

3.4 翹曲、竄動

制件在打印后期容易發(fā)生變形、翹曲的缺陷，且越接近底層變形越大，嚴重時制件會從底板上完全脫離、竄動，導(dǎo)致制件制作的失敗。這種變形主要是制件內(nèi)部的熱應(yīng)力導(dǎo)致的，材料絲首先被加熱至融化，然后擠出粘結(jié)在底板或已加工完成的部分上方，此時材料溫度較高，發(fā)生膨脹，稍后材料冷卻時發(fā)生收縮，這種收縮隨著層數(shù)的增加發(fā)生累積，最終導(dǎo)致變形。目前解決翹曲的主要方式有兩種，一種是底板加熱，另一種是封閉加工，加熱環(huán)境溫度。兩種方法的目的都是為了使材料受熱更均勻，冷卻的過程中緩慢的釋放熱應(yīng)力，避免應(yīng)力集中造成的翹曲，其中封閉加熱環(huán)境溫度能夠使模型整體處于恒定溫度中，對熱應(yīng)力問題的改善更為明顯。

4 結(jié)束語

3D打印作為新興技術(shù)，具有其獨特的優(yōu)勢，能夠利用模型的離散和堆積完成產(chǎn)品的快速成形，實現(xiàn)了快速原型技術(shù)等，能夠有效地節(jié)省生產(chǎn)成本，縮短生產(chǎn)周期。3D打印根據(jù)成形原理及材料的不同又分為許多種，其中FDM技術(shù)主要應(yīng)用于塑料產(chǎn)品的制造。但該技術(shù)及相關(guān)設(shè)備的研發(fā)仍出在發(fā)展階段，制件容易發(fā)生強度低、表面質(zhì)量差、扭曲錯位及翹曲竄動等缺陷，需要在模型設(shè)計及設(shè)備研發(fā)的過程中考慮到缺陷產(chǎn)生的可能性。在模型設(shè)計的過程中應(yīng)避免截面過小的部分，以防止該部分強度不夠造成整體力學(xué)性能的下降。在設(shè)備硬件設(shè)計的過程中也考慮反向抽絲及加熱問題，以盡可能地改善表面拉絲及翹曲竄動等問題。在軟件研發(fā)中，也應(yīng)提高噴頭位置的控制精度，進一步完善斷點續(xù)打程序，同時提高中斷位置的捕捉精度和續(xù)打位置的控制精度，避免模型的扭曲和錯位。除此之外，F(xiàn)DM打印制件仍然存在一些質(zhì)量不穩(wěn)定的因素，需要對相關(guān)技術(shù)和工藝及設(shè)備的不斷研發(fā)和優(yōu)化。

參考文獻：

[1]盧秉恒，李滌塵.增材制造（3D打?。┘夹g(shù)發(fā)展[J].機械制造與自動化，2013，42（4）：1-4.

[2]Wang F Y. From social computing to social manufacturing： the coming industrial revolution and new frontier in cyber-physical-social space[J]. Bulletin of Chinese Academy of Sciences， 2012.

[3]李滌塵，田小永，王永信，等.增材制造技術(shù)的發(fā)展[J].電加工與模具，2012（s1）：20-22.

[4]陳鵬.3D打印技術(shù)實用教程[M].中國工信出版社，2016.

[5]周功耀，羅軍.3D打印基礎(chǔ)教程[M].東方出版社，2016.endprint