噴頭溫度及材料對(duì)3D打印精密的影響

張香月，秦廣，屈祥如，文迪，王榮敬

（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）

1 噴頭溫度影響

在FDM加工過程中，噴頭的影響是必須引起注意的要素之一，重點(diǎn)體現(xiàn)在:實(shí)際尺寸比設(shè)計(jì)尺寸大。在STL格式分層時(shí)，其分層所用的廓線是理想廓線形態(tài)，即寬度為0[1]，但是在模型打印的進(jìn)程中，噴頭所噴出的半液態(tài)絲必然是有特定寬度的，這寬度就等于半液態(tài)絲的剖面直徑，因此當(dāng)噴頭沿著理想廓線開始掃描時(shí)，最后打印完畢的模型必然會(huì)多出一個(gè)噴頭吐絲的寬度[2]。此種偏差可以在建立CAD模型時(shí)，對(duì)其作尺寸補(bǔ)償來消除，但是噴頭噴出的絲寬在打印進(jìn)程中會(huì)伴隨著擠出速度和填充速度等要素的改變而出現(xiàn)偏差，因此要準(zhǔn)確對(duì)其補(bǔ)償并不容易。

FDM系統(tǒng)的噴頭內(nèi)腔的溫度，即擠出機(jī)的溫度，此溫度值的大小直接關(guān)乎打印原料的流動(dòng)性和黏結(jié)性以及絲寬。這不僅影響加工精密度，也對(duì)加工過程的連續(xù)性和零部件的物理特性有一定的影響[3]，見圖1。

圖1 不同溫度制品微觀截面

2 PLA材料下噴頭溫度研究

本實(shí)驗(yàn)所采用的是PLA，這種材料的熔點(diǎn)為190～210℃，材料所建議的打印溫度為200～250℃。故當(dāng)溫度高于250℃時(shí)，PLA材料容易出現(xiàn)被分解的情況，經(jīng)噴頭噴出之后變成液滴形態(tài)，所以其流動(dòng)性增強(qiáng)，絲寬變得細(xì)小，導(dǎo)致成型不準(zhǔn)確，見圖2。當(dāng)溫度低于190℃時(shí)，材料不能完全變成熔融狀態(tài)，材料的黏接性變大，擠出速度降低，流動(dòng)性變?nèi)?，擠出部分的機(jī)構(gòu)載荷增加[4]，故而引起噴頭吐絲不流暢，又因?yàn)樗徒z機(jī)構(gòu)接連不斷地送絲，從而導(dǎo)致管道和噴頭出現(xiàn)堵塞的情況，即使吐絲成功噴到了工作平臺(tái)上，也會(huì)因?yàn)闇囟鹊牟粶?zhǔn)確出現(xiàn)層與層間的剝離現(xiàn)象。因此，溫度的正確控制把握是極其重要的[5]。

FDM系統(tǒng)的噴頭具有很多的功能。其中包括原料的供應(yīng)、材料的受熱變成熔融態(tài)、材料的擠出、擠出的絲寬、移動(dòng)速度等。從溫度控制的基點(diǎn)出發(fā)，再由熱傳導(dǎo)過程和噴頭的機(jī)構(gòu)和性能可以得到這個(gè)論斷：PLA的熔點(diǎn)溫度最低為190℃，最高為210℃，因此為了確保打印過程的連續(xù)進(jìn)行，就必須要保證噴頭的溫度恒定，由實(shí)驗(yàn)得出最佳溫度為200℃左右，如表1所示。

表1 噴頭溫度為變量時(shí)打印產(chǎn)品狀況

3 材料收縮的影響

在FDM成型進(jìn)程中，原料會(huì)出現(xiàn)收縮現(xiàn)象，導(dǎo)致成型零件的理想尺寸和實(shí)際尺寸不一致。因此，當(dāng)CAD建立模型階段，就要對(duì)其尺寸作收縮補(bǔ)償，不然就會(huì)使得模型最終的精密度出現(xiàn)嚴(yán)重偏差。但是原料的實(shí)際收縮是會(huì)被其形態(tài)、尺寸、打印時(shí)的工藝參數(shù)設(shè)置和單層打印時(shí)間等要素影響或相互限制的，所以原料收縮補(bǔ)償是需要視收縮速率和實(shí)況而確定的。

圖2 噴頭溫度過高時(shí)的打印模型

FDM工藝所使用的原料大多為ABS，對(duì)于此種熱塑性材料，快速成型中需要經(jīng)過受熱熔融、擠出成型和冷固這三個(gè)過程，成形進(jìn)程中原料要出現(xiàn)兩個(gè)相變過程：一是由固狀絲材經(jīng)加熱后變成熔融態(tài)，再就是由熔融態(tài)通過噴嘴噴出到工作平臺(tái)上冷凝成固態(tài)。在從固態(tài)—熔融態(tài)—固態(tài)的物變進(jìn)程中，原料會(huì)在冷固進(jìn)程中產(chǎn)生收縮現(xiàn)象，其收縮體現(xiàn)在兩種變化上：熱收縮和分子的取向收縮[6]。

這是成型零部件初中尺寸偏差和翹曲變形的關(guān)鍵因素。原料熔融之后體積迅速擴(kuò)張，在后面的冷固進(jìn)程中出現(xiàn)收縮現(xiàn)象，導(dǎo)致模型的內(nèi)部和外面的實(shí)際輪廓產(chǎn)生偏差，從而出現(xiàn)尺寸上的偏差。在打印過程中，隨著成型原料在受熱熔融和冷卻凝固原料相變時(shí)引起體積收縮而使得內(nèi)應(yīng)力聚集，當(dāng)應(yīng)力上升到特定數(shù)值時(shí)就會(huì)產(chǎn)生應(yīng)變，從而發(fā)生翹曲變形現(xiàn)象。

X、Y水平面的收縮跟Z向的尺寸收縮率是不一致的，這是因?yàn)楦叻肿釉系娜∠虿煌瑢?dǎo)致的。打印時(shí)，在填充方向上，熔融態(tài)的高分子拉伸，又在之后的冷固過程中出現(xiàn)收縮現(xiàn)象，故分子取向?qū)е履＜赬、Y平面的收縮率大于Z向。

4 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)所得到的數(shù)據(jù)除了材料不同作為因變量之外，其余實(shí)驗(yàn)均使用的是同一種材料，即PLA（迪門迅）白色材料。本次實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)果僅適用于MakerBot Replicator Z18 3D打印機(jī)，其他型號(hào)的3D打印機(jī)不一定能得出此結(jié)論。

以本次實(shí)驗(yàn)為例，得出如下結(jié)論：噴頭溫度如果設(shè)置數(shù)值越小，就會(huì)產(chǎn)生打印失敗的情況；如若設(shè)置過高，雖然能打印出產(chǎn)品，但表層會(huì)出現(xiàn)黃色的斑點(diǎn)，從而導(dǎo)致粗糙度極高，所以噴頭溫度值設(shè)置在200℃左右最佳。