【解析】環(huán)境溫度對(duì)3D打印成型精度的影響

3D打印技術(shù)具有生產(chǎn)周期短、成本低的優(yōu)勢(shì)，目前3D打印的技術(shù)主要包括立體光固化成型（SLA）、選擇性激光燒結(jié)成型（SLS）、熔融沉積成型（FDM）等工藝。從各種技術(shù)的工藝復(fù)雜程度、成本、加工效率綜合來(lái)看FDM工藝是整體成本最低的，因而普及率也最高。成型精度是FDM工藝在工業(yè)應(yīng)用中的關(guān)鍵問(wèn)題，顯著影響著打印過(guò)程能否順利進(jìn)行和制品精度，也是當(dāng)今快速成型技術(shù)領(lǐng)域迫切需 要解決的問(wèn)題之一。 接下來(lái)，南極熊以3D打印用丙烯腈－丁二烯－苯乙烯共 聚物（ABS）為成型材料，通過(guò)打印實(shí)驗(yàn)研究FDM工藝中環(huán)境溫度對(duì)制品打印過(guò)程和制品成型精度的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分
1.1 原料
ABS絲：直徑1.75mm，北京太爾時(shí)代科技有限公司。
1.2 設(shè)備及儀器
3D打印機(jī)：UPPLUS2，北京太爾時(shí)代科技有 限公司；可控溫環(huán)境箱：自制；熔融指數(shù)儀：MP600，美國(guó)TiniusOlsen公司；注塑機(jī)：MA1200/370，寧波海天塑機(jī)有限公司；數(shù)顯游標(biāo)卡尺：SF2000，桂林廣陸有限公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)步驟
在實(shí)驗(yàn)中，將3D打印機(jī)放置于自制的環(huán)境箱內(nèi)，環(huán)境箱具有可控溫循環(huán)熱風(fēng)系統(tǒng)，通過(guò)溫控儀來(lái) 控制環(huán)境箱內(nèi)的打印環(huán)境溫度。打印參數(shù)設(shè)置包括：層片厚度設(shè)定為0.2mm，噴嘴溫度為260℃，擠出速度以及填充速度為默認(rèn)設(shè)定。在不同的環(huán)境溫度下打印60mm×60mm×2mm的方形樣片，其中將環(huán)境溫度分別設(shè)定為20、30、40、50、60、70℃，打印完成后，待打印機(jī)平臺(tái)溫度降低為20℃時(shí)，將小方片從平臺(tái)上取下來(lái)，并定義打印過(guò)程中噴嘴移動(dòng)方向（y軸）為平行方向，平臺(tái)移動(dòng)方向（x軸）為垂直方向。首先，測(cè)量樣片打印完成時(shí)平行和垂直方向的尺寸，然后將樣片在23℃恒溫箱中放置24h，再次測(cè)量其平行和垂直方向的尺寸以及翹曲情況。

1.4測(cè)試及儀器
（1）熔體質(zhì)量流動(dòng)速率（MFＲ）測(cè)試 依據(jù)GB/T3682—2000測(cè)試原料的MFＲ值，測(cè)試溫度為220℃，負(fù)荷為10kg。
（2）收縮率測(cè)試 依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T17037.4—2003采用注射制樣測(cè)試原料的收縮率，其中機(jī)筒溫度220℃，注塑壓力5MPa，保壓壓力5MPa。

注射試樣經(jīng)狀態(tài)調(diào)制24h后，對(duì)其各向的收縮率進(jìn)行測(cè)試，其中平行于熔體流動(dòng)方向的模塑收縮率（Sp），以及垂直于熔體流動(dòng)方向的模塑收縮率（Sn）分別按式（1）和（2）計(jì)算得出：

（3）成型制品翹曲度

圖1 樣片翹曲高度測(cè)量示意圖

如圖1所示，將在23℃恒溫調(diào)制處理24h后的樣片放置在平整的桌面上，并按照在打印機(jī)平臺(tái)上的放置順序從左上角逆時(shí)針順序依次標(biāo)記為A、B、C、D，然后將40g的砝碼加載在A處，可以看到樣片由 于發(fā)生翹曲，在C處明顯翹起，接著將砝碼加載在B處，同樣會(huì)看到C處翹起，用游標(biāo)卡尺測(cè)量C處的翹曲高度，按同樣的操作測(cè)量打印環(huán)境溫度分別為20、30、40、50、60、70℃下打印的樣片的翹曲情況，研究環(huán)境溫度對(duì)打印制品翹曲率的影響。 定義砝碼加載A處時(shí)樣片C處的翹曲高度用h1 表示，砝碼加載B處時(shí)樣片C處的翹曲高度用h2表示。

2 結(jié)果與討論
2.1 原料性能研究
表1給出了ABS原料的MFＲ值以及根據(jù)公式 （1）、（2）計(jì)算得到的Sp和Sn值�？梢�(jiàn)，所用ABS打印材料由熔融態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)后具有明顯的尺寸收縮，原料較大的收縮率對(duì)制品的3D打印過(guò)程及最終制品的尺寸穩(wěn)定性具有顯著影響，因此需要開(kāi)展3D打印工藝的研究，通過(guò)優(yōu)化打印工藝降低或消除制品打印過(guò)程中普遍存在的翹曲和收縮過(guò)大的問(wèn)題。 表1 ABS原料的MFＲ值和模塑收縮率

2.2打印工藝的研究
2.2.1 制品收縮率研究
在3D打印過(guò)程中，由于噴絲具有一定的寬度， 會(huì)造成填充輪廓路徑時(shí)的實(shí)際輪廓線(xiàn)超出理想輪廓線(xiàn)一些區(qū)域。因此，在計(jì)算樣片尺寸穩(wěn)定性時(shí)需要在生成輪廓路徑時(shí)對(duì)理想輪廓線(xiàn)進(jìn)行補(bǔ)償。補(bǔ)償量應(yīng)當(dāng)是擠出絲寬度的一半。而實(shí)際工藝過(guò)程中擠出絲的形狀、尺寸受到噴嘴孔直徑、分層厚度、擠出速度、填充速度、噴嘴溫度、環(huán)境箱溫度及材料收縮率等諸多因素的影響。因此，擠出絲的寬度不是一個(gè)固定值，這里可以借鑒賈振元等的研究成果，確定補(bǔ)償量如下：

通過(guò)測(cè)量得出：d=0.4mm，h=0.2mm，νE=25mm/s，νF=27mm/s。將以上數(shù)據(jù)代入到式（3）得W=0.6mm，所以補(bǔ)償量為W的一半，即0.3mm。根據(jù)測(cè)試得到的方形樣片的尺寸，可以求出各溫度下的收縮率。 從圖2中可看到，不論是剛?cè)∠聲r(shí)的樣片還是調(diào)制24h后的樣片，其平行方向和垂直方向收縮率均隨環(huán)境溫度的增大而增大，即環(huán)境溫度越高，樣片尺寸越小。而且，可以看到垂直方向的收縮率要比平行方向的收縮率大一些。此外，在同一個(gè)環(huán)境溫度下打印完成時(shí)的樣片收縮率要稍微低于調(diào)制24h后樣片的收縮率，這是因?yàn)闃悠瑫?huì)在23℃恒溫放置過(guò)程中慢慢變形收縮，所以尺寸會(huì)再略微變小。可見(jiàn)，在特定環(huán)境溫度下打印時(shí)，要對(duì)原始模型的尺寸進(jìn)行相應(yīng)的修訂，以滿(mǎn)足制品尺寸穩(wěn)定性的要求。

圖2樣片打印完成時(shí)及調(diào)制24h后環(huán)境溫度對(duì)平行、垂直 方向收縮率的影響

2.2.2制品翹曲率研究

圖3 環(huán)境溫度對(duì)樣片翹曲高度的影

圖3所示為環(huán)境溫度對(duì)樣片翹曲高度的影響，由圖中可見(jiàn)，隨著打印環(huán)境溫度的增加，當(dāng)砝碼加載在A點(diǎn)時(shí)，樣片C點(diǎn)處的翹曲高度（h1）逐漸降低；而 當(dāng)砝碼壓B處時(shí)，C處的翹曲高度（h2）隨著打印環(huán)境溫度的增加逐漸降低。另外，在同一環(huán)境溫度下，h1明顯大于h2，尤其在環(huán)境溫度較低時(shí)這種差距較大，而這種高度差隨著環(huán)境溫度的增加有所減小，說(shuō)明環(huán)境溫度越高樣片各點(diǎn)的翹曲高度越來(lái)越小，整體上來(lái)看樣片會(huì)越來(lái)越平整。 分析認(rèn)為，由于本次實(shí)驗(yàn)使用的是熱塑性ABS塑料，打印成型過(guò)程中會(huì)發(fā)生兩次相變過(guò)程，第一次是ABS由固態(tài)絲狀受熱熔化成熔融態(tài)，第二次是由熔融態(tài)經(jīng)過(guò)噴嘴擠出后冷卻凝固成固態(tài)。

ABS凝固過(guò)程中的體積收縮會(huì)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，內(nèi)應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致樣片翹曲的發(fā)生。而環(huán)境溫度會(huì)影響到成型件樣片的內(nèi)應(yīng)力的大小，打印環(huán)境溫度升高，一方面制品中的大分子鏈熱運(yùn)動(dòng)能量越高，另一方面由于體積膨脹，分子 間距離增加，大分子鏈活動(dòng)空間增大，使得松弛過(guò)程 加快，導(dǎo)致制品內(nèi)應(yīng)力減小，相應(yīng)地，產(chǎn)生的翹曲程度也就減小。但是，環(huán)境溫度也不能過(guò)高，否則 零件表面會(huì)起皺 ，對(duì)于小截面的零件會(huì)產(chǎn)生“坍塌”與“拉絲”現(xiàn)象，即前一層的截面還處于軟化狀態(tài)時(shí)后一層就開(kāi)始在其上堆積，前一層的截面還不足以承受后一層擠出絲的作用力，因而向下凹陷變形，同時(shí)擠出絲被噴頭拉著走。另一方面，打印環(huán)境溫度太低的話(huà)，從噴嘴擠出的絲驟冷使成型零件內(nèi)應(yīng)力增加，這很容易引起零件翹曲變形，影響打印過(guò)程 順利進(jìn)行，并導(dǎo)致層間粘接不牢固，零件有開(kāi)裂的傾向 。可見(jiàn)，只有適宜的打印環(huán)境溫度才能使成型制品的翹曲程度較小，表面質(zhì)量較好，成型精度也會(huì)提高。

3結(jié)論
通過(guò)3D打印實(shí)驗(yàn)，研究了FDM工藝中環(huán)境溫度對(duì)制品成型精度的影響。由本文實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果可知，打印環(huán)境溫度升高，制品的橫向收縮率升高，縱向收縮率也升高，因此需模型設(shè)計(jì)補(bǔ)償；同時(shí)隨打印環(huán)境溫度升高，制品的翹曲高度減小，成型精度得到改善。

編輯：南極熊
作者：屈晨光，張師軍，高達(dá)利，鄒 浩，劉建葉，董穆，郭家梁，邵靜波，呂蕓（中國(guó)石油化工股份有限公司北京化工研究院）

很棒的文章