工藝參數(shù)對(duì)桌面級(jí)3D打印機(jī)精度影響的研究

黃靜薇， 張香月， 汪泓寰， 肖 旭， 田 萌

（成都理工大學(xué)核技術(shù)與自動(dòng)化工程學(xué)院， 四川 成都 610059）

引言

伴隨著全球制造業(yè)的不斷進(jìn)步，3D打印從20個(gè)世紀(jì)80年代的嶄露頭角到現(xiàn)在的大顯身手，這一切與它操作簡(jiǎn)單、成型速度快，支撐容易去除、無(wú)環(huán)境污染破壞等特點(diǎn)息息相關(guān)，符合我們所倡導(dǎo)的綠色制造概念。因此各個(gè)國(guó)家都希望能掌握其核心技術(shù)——打印成品的精度。

1 填充方式

3D打印是通過(guò)熔融絲材層層疊加的，因此具有許多的填充方式，如linear（線性）、Hilbert（希爾伯特曲線）、Hexagonal（六邊形）等方式。不一樣的填充方式都會(huì)引起打印件的表面粗糙度、材料耗費(fèi)量等發(fā)生變化。

填充方式指的是：噴頭在打印件內(nèi)部打開(kāi)網(wǎng)格的形式。

表1 填充方式為變量時(shí)材料耗費(fèi)量變化

2 熱床溫度

當(dāng)熱床溫度低于30℃時(shí)，打印產(chǎn)品容易出現(xiàn)翹邊甚至打印失敗現(xiàn)象。當(dāng)熱床溫度高于50℃時(shí)，則會(huì)使噴頭所噴出的熔融態(tài)材料不能及時(shí)冷卻，即當(dāng)一層未凝固時(shí)下一層就已經(jīng)覆蓋在此層之上，從而使得模型出現(xiàn)變形的現(xiàn)象。

表2 熱床溫度為變量時(shí)打印產(chǎn)品狀況

圖1 熱床溫度過(guò)低時(shí)的模型打印狀況

圖2 熱床溫度過(guò)高時(shí)的模型打印況

3 回縮距離

回縮距離指調(diào)整長(zhǎng)絲在行進(jìn)之前被拉回到擠出機(jī)中的數(shù)量。增加回縮距離可能會(huì)對(duì)擠出機(jī)的使用壽命產(chǎn)生負(fù)面影響。如果模型顯示出拉絲的跡象，增加拉伸距離可能會(huì)有所幫助。也可能是由于燈絲暴露在潮濕或潮濕的環(huán)境中造成的。當(dāng)回縮距離越小，表面粗糙度變得越大，拉絲和翹邊情況隨之嚴(yán)重，故而材料的打印精度越低；反之當(dāng)回縮距離變大時(shí)，而打印機(jī)的最大回縮距離為1.6 mm，表面粗糙度變得越小，拉絲和翹邊情況隨之減輕了，材料的打印精度變高。

表3 回縮距離為變量時(shí)打印產(chǎn)品狀況

4 填充密度

在3D打印中的填充密度指的是模型打印時(shí)內(nèi)部材料填充的比例。如100%填充就是完全實(shí)心填充，0%即空心填充。填充指的是在所打印產(chǎn)品的外形結(jié)構(gòu)里面填充，所以0%并不代表不填充，而是結(jié)構(gòu)內(nèi)部為空心。因此，填充密度越小，打印件的強(qiáng)度越低，花費(fèi)的打印時(shí)間很少，填充密度越大，模件的強(qiáng)度雖然增加了，但所用時(shí)間增加了。所以，當(dāng)選擇填充密度時(shí)，需要根據(jù)實(shí)際情況來(lái)選擇。經(jīng)過(guò)了一系列實(shí)驗(yàn)，在這里推薦填充密度最好選擇20%～40%。

表4 填充密度為變量時(shí)產(chǎn)品所需打印時(shí)間的變化

5 結(jié)論

本文對(duì)影響MakerBot Replicator Z18 3D打印機(jī)打印成品的幾個(gè)工藝因素逐一做了對(duì)比實(shí)驗(yàn)，通過(guò)這些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析統(tǒng)計(jì)，給出了一些因素的最佳數(shù)值或范圍。當(dāng)然，不可能每個(gè)因素都有最佳數(shù)值，這是因?yàn)槊總€(gè)人對(duì)打印的產(chǎn)品使用要求不同，其中一些因素選取要根據(jù)實(shí)際需求來(lái)定。結(jié)論如下。

1）本實(shí)驗(yàn)所使用的儀器設(shè)備是MakerBot Repl icator Z18 3D打印機(jī),所以使用的材料是PLA，對(duì)于不同顏色的材料，經(jīng)實(shí)驗(yàn)得知綠色的綜合性能相較于其他顏色來(lái)講要優(yōu)秀一些。

2）填充方式有許多種，其中按照打印產(chǎn)品的綜合性能來(lái)講，線性打印所得成品最好。

3）當(dāng)熱床溫度高于50℃或低于30℃時(shí)會(huì)出現(xiàn)打印失敗的情況，所以打印最佳熱床溫度為30℃～50℃為最佳。

4）回縮距離越小，其打印產(chǎn)品的粗糙度很大，拉絲以及翹邊情況會(huì)更嚴(yán)重，由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，回縮距離越大打印效果越好，因該儀器的最大回縮距離為1.6 mm，所以最佳回縮距離為1.6 mm。

5）填充密度的取值范圍在20%～40%之間可獲得理想的模件，因?yàn)樵诖朔秶鷥?nèi)打印時(shí)，花費(fèi)的時(shí)間少，拉絲情況不嚴(yán)重，翹邊情況也還可觀，最重要的是模件強(qiáng)度對(duì)于一般零件的使用來(lái)說(shuō)適中。