聚乳酸（PLA）3D打印薄板制件精度研究

李真真　馮婧　閆麗靜　姜炳春

摘 要：采用FDM3D打印方式制備了薄板制件，研究了打印速度、填充方式及層厚等工藝參數(shù)對制件表面粗糙度以及制件尺寸精度的影響。結(jié)果表明，為得到較好的表面質(zhì)量，應(yīng)采用的最佳打印填充方式順序?yàn)椋豪@直線型>直線型>同心型；對薄板制件，要得到較好的表面質(zhì)量和尺寸精度，最佳打印速度為30mm/s，最佳分層厚度為0.2mm；在實(shí)際打印參數(shù)的設(shè)置過程中，應(yīng)特別注意打印速度對薄板制件整體質(zhì)量的影響。

關(guān)鍵詞：3D打印 薄板制件 工藝參數(shù) 精度

中圖分類號(hào)：TQ32 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2018）01（c）-0097-02

熔絲堆積（Fused Deposition Molding，F(xiàn)DM）成型技術(shù)也稱為熔融沉積制造、熔融擠出成型技術(shù)[1]。FDM具有高效、節(jié)省材料、為設(shè)計(jì)者提供無限的設(shè)計(jì)空間等特點(diǎn)[2]，在制備功能性測試制件、模型制造及模具制造等方面得到了廣泛應(yīng)用[3]。但目前由于其成型的塑料制品還存在表面質(zhì)量差和翹曲變形等缺點(diǎn)，所以限制了其工業(yè)化的進(jìn)程[4]。

對FDM技術(shù)而言，制件精度的影響因素主要有材料的性能和工藝參數(shù)兩方面[1]。材料的性能指材料的熱收縮和分子取向收縮，其中，熱收縮不但與材料的熱膨脹系數(shù)、成型過程中的溫度差有關(guān)，同時(shí)還與制件的尺寸有關(guān)[5]。為此，本文選擇以輪廓尺寸比厚度尺寸大很多的薄板制件為研究對象，主要分析了打印速度和填充方式對制件表面粗糙度的影響以及打印速度和層厚對制件尺寸精度的影響，以期為FDM制件精度的進(jìn)一步提高提供實(shí)驗(yàn)參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

具體情況見表1。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

具體情況見表2。

1.3 試樣的制備

本次實(shí)驗(yàn)使用的是珠海天威控股有限公司自主研發(fā)的CoLiDo2.0桌面級(jí)3D打印機(jī)，打印機(jī)精度可達(dá)0.1mm，采用單噴頭系統(tǒng)，成型材料為絲狀PLA，細(xì)絲直徑為1.75mm，噴嘴直徑為0.4mm，玻璃化平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)溫度為70℃，打印薄板制件的尺寸為80mm×80mm×6mm。

本實(shí)驗(yàn)共設(shè)計(jì)了兩組實(shí)驗(yàn)，第一組主要研究打印速度和填充方式對制件表面粗糙素的影響；第二組在參考第一組的結(jié)果的基礎(chǔ)上，主要研究打印速度和層厚對制件尺寸精度的影響。詳細(xì)打印參數(shù)分別見表3、表4。

2 結(jié)果與討論

2.1 打印速度和填充方式對制件表面粗糙度的影響

由表4可以看出，隨著薄板制件打印速度的增加，其表面粗糙度值也隨之增大，表面也越粗糙。當(dāng)把制件的打印速度設(shè)置在30mm/s時(shí)，能得到最好的表面粗糙度。在打印的填充方式中，直線型填充和繞直線型填充所得到制件的表面粗糙度值接近，對制件的表面粗糙度影響相對較小。其中，薄板制件繞直線型填充方式得到的表面質(zhì)量最好。同心型填充得到的制件表面粗糙度值最大，表面最為粗糙。這個(gè)結(jié)果也與粗糙度曲線的波形相對應(yīng)。為打印得到較好的表面質(zhì)量，應(yīng)采用的最佳填充方式順序?yàn)椋豪@直線型>直線型>同心型。

2.2 打印速度和層厚對制件尺寸精度的影響

通過第一組實(shí)驗(yàn)結(jié)果知道，繞直線型填充方式的表面質(zhì)量最好，故第二組實(shí)驗(yàn)中全部選擇繞直線型填充方式。

對表5中的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在相同條件下打印出來的薄板制件在不同方向上的尺寸精度也不盡相同。當(dāng)打印速度為30mm/s時(shí)，隨分層厚度的增加，制件的尺寸精度誤差呈現(xiàn)由大到小再到大的變化趨勢；當(dāng)分層厚度為0.2mm時(shí)，成型制件在三個(gè)方向上的尺寸精度誤差最小。設(shè)定分層厚度為0.2mm，隨著打印速度的增加，成型制件尺寸誤差也越來越大。當(dāng)打印速度為80mm/s時(shí)，成型制件產(chǎn)生了比較明顯的翹曲變形。同時(shí)，對比打印速度和分層厚度兩個(gè)工藝對薄板制件尺寸精度的影響，可以看出，打印速度對薄板制件的尺寸精度影響相對較大。實(shí)際打印過程也證明，擠出速度越快，加工時(shí)間越短，薄板成型制件成型產(chǎn)生的尺寸精度誤差就越大，也越容易產(chǎn)生變形。

3 結(jié)論

（1）為得到較好的表面質(zhì)量，應(yīng)采用的最佳打印填充方式順序?yàn)椋豪@直線型>直線型>同心型。

（2）對薄板制件，要得到較好的表面質(zhì)量和尺寸精度，最佳打印速度為30mm/s，最佳分層厚度為0.2mm。

（3）在實(shí)際打印參數(shù)的設(shè)置過程中，應(yīng)特別注意打印速度對薄板制件整體質(zhì)量的影響。

參考文獻(xiàn)

[1] 韓霞.快速成型技術(shù)與應(yīng)用[M].機(jī)械工業(yè)出版社， 2016：48-59.

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[3] 嚴(yán)道發(fā).模具制造中3D打印技術(shù)的應(yīng)用研究[J].太原城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2016（7）：177-179.

[4] 遲百宏，解利楊，高曉東，等.FDM工藝中構(gòu)建取向?qū)λ芰现破妨W(xué)性能的影響[J].塑料，2015，44（4）：40-42.

[5] 何新英，陶明元，葉春生.FDM工藝成形過程中影響成形件精度的因素分析[J].機(jī)械與電子，2004（9）：77-78.