FDM打印过程中质量问题成因分析与研究_冀浩非.pdf

1382023 年 4 月下Agricultural Machinery and Equipment农业机械与装备FDM 打印过程中质量问题成因分析与研究冀浩非（晋中职业技术学院，山西 晋中 030600）摘要：近年来，随着增材制造技术在各领域应用的广泛深入，对打印的精度提出了更高的要求。因此，如何确保打印质量成为增材制造技术的研究热点。笔者以增材制造技术中的熔融沉积成型工艺（FDM）为研究对象，按照FDM打印流程进行分析研究，探索各操作阶段产生打印误差的原因。研究表明，FDM制件产生的误差可分为原理性误差、设备误差、工艺误差和材料误差，其中工艺误差是影响打印质量的主要因素。因此，操作人员需在打印过程中依据打印材料、模型尺寸、环境温度等实际情况对各工艺参数进行及时合理的调整，并进行打印设备调试，以保证打印质量，获取性能良好的制件。关键词：FDM；打印流程；误差；工艺参数中图分类号：TP391.73 文献标志码：A DOI：10.3969/j.issn.1672-3872.2023.08.0410 引言增材制造技术（也称3D打印技术）是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可黏合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。它开创了一种全新的制造模式，打破了人们几百年来传统的制造观念。增材制造技术可以让产品设计人员专注于产品创新，减弱传统工艺对设计方案的制约，有效缩短产品研发周期，降低研发成本和能源消耗量，促进绿色制造发展。这些特点对新产品研发、试制有很强的适用性。企业可以针对人们对产品的多样化、个性化需求，运用增材制造技术进行单件、小批量零件的生产。Wohlers Report 2021 数据显示，全球3D打印设备市场销售规模达到30.14亿美元，中国3D打印产业规模约占全球的10.8%。目前，工业中3D打印被广泛应用于汽车工业、电子机械和航空航天等领域。增材制造技术可分为熔融沉积成型工艺（FDM）、光固化成型工艺（SLA）、选择性激光烧结工艺（SLS）、分层实体制造工艺（LOM）和三维打印工艺（3DP）等类型。其中，FDM打印技术在所有3D打印应用中最常见，前瞻产业研究院发布的 20182023年全球3D产业市场前瞻与投资战略规划分析报告显示，采用FDM打印技术的产业规模占所有3D产业的64.9%。但随着FDM打印技术应用的普及，其打印环节尺寸易产生误差和缺陷等问题逐渐暴露出来，笔者以FDM打印技术为对象，就其问题产生的原因进行分析与研究。FDM打印工作原理是高温喷嘴熔融丝材，然后通过软件控制喷嘴沿着零件截面轮廓和填充轨迹运动，并挤出丝材，丝材在打印平台上堆积、冷却、固化，这样逐层堆积形成三维实体，如图1所示。但这只是FDM工艺流程的一部分，FDM工艺中还包括：创建三维模型、三维模型分层处理、工艺参数选择、打印设备调试和后处理。其中每一个环节或多或少对制件的精度都有影响。本文按照工艺流程的顺序对影响打印质量的因素逐个进行分析。图1熔融沉积成型工作原理图1 创建三维模型打印前首先要根据行业需要使用三维建模软件完成模型的绘制，之后将模型格式转换为3D打印机能够识别的STL格式。STL格式是由3D Systems公司提出的一种用于CAD模型与快速成型设备之间数据转换的文件格式，是3D打印机的标准三角语言1，是目前绝大多数切片处理软件认可的一种标准文件格式。保存STL文件之后，模型的表面和曲线都会被大量三角面片来近似代替，在这个过程中易产生重叠、空洞、悬面等错误导致STL文件对模型特征的表作者简介：冀浩非（1983），男，山西祁县人，硕士研究生，讲师，研究方向为材料及机械系统。2023 年 4 月下139Agricultural Machinery and Equipment农业机械与装备达存在一定的误差。这种误差现阶段是不可避免的。2 三维模型分层处理在使用3D打印机进行打印前，还需对STL格式的打印模型进行分层切片。这是由FDM打印的工作原理决定的。FDM打印技术要通过丝材堆叠形成实体，这就需要对模型进行分层。而在分层过程中只能对原模型的圆弧部分进行拟合处理，导致拟合模型和实际打印模型出现轮廓偏差，在这个过程中会产生阶梯误差，如图2所示。阶梯误差是不可避免的，只能通过尽可能地降低层厚来减少误差带来的影响2。理想表面实际表面图2阶梯误差的形成三维模型分层处理结束后，将STL模型导入到打印机的工作程序内，但还不能直接打印，需先根据模型特点对打印机的参数进行设置，并进行打印设备调试。3 工艺参数选择工艺参数主要包括打印速度、打印温度、热床温度、填充形式、填充密度、层厚和壁厚等数据。它们与成品件的质量有着紧密的关系。3.1 打印速度打印速度即打印时喷头的移动速度，它决定了打印成型的工作效率，打印速度越快工作效率越高。但打印速度受到喷头挤出速度的制约。如果打印设备不对喷头挤出速度进行调整，设置的打印速度远大于喷头挤出速度，会让单位长度内丝材加热时间变短，丝材熔融不充分，丝材流动性降低。打印时容易出现断丝现象，导致打印失败。如果设置的打印速度低于喷头挤出速度，会造成打印过程熔丝没有足够的堆积空间，易附着在喷头周围，导致成型面上丝材分布不均匀，严重时会将喷头堵塞导致打印失败。喷头移动速度过快还会导致丝材附着力变差，被挤出的丝材容易被移动喷头中的丝材拉动而产生位移，造成制件翘曲变形，如图3（a）所示，翘曲变形是制件常见的打印缺陷。因此，设置参数时要将打印速度设定在合理区间内。就目前而言，桌面级FDM打印机大体上可以分为3种打印速度，第一种打印速度是40 mm/s50 mm/s，第二种打印速度是80 mm/s100 mm/s，而第三种则是150 mm/s。在超过150 mm/s的情况下，打印质量明显下降，所以在打印制件的过程中，要根据实际需要设定打印速度。为保证打印质量，打印速度一般会控制在40 mm/s50 mm/s。3.2 打印温度打印温度是指打印时喷头的加热温度。打印温度会影响丝材的黏结性、沉积性和流动性。不同的丝材所需的打印温度不同。因此，打印温度要根据丝材的不同控制在合理的范围内，以保证工作时喷头处有充足的熔融状态丝材流动。FDM打印机现在所用的打印丝材以PLA（聚乳酸）与ABS（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物）为主。不同的丝材熔点不同，对打印温度的要求也不一致，所以参数设定要根据具体丝材而定。PLA打印温度常规设置一般为190 220；ABS打印温度常规设置一般为210 240，深色比浅色提高5 以内。在设置打印温度时，如果设置的温度过低，可能会导致打印过程中丝材在喷头处熔融加热不充分，丝材黏性加大，出丝速度变慢，导致填充不充分甚至喷头堵塞造成打印失败；还可能因丝材与热床之间结合力不足导致制件翘曲变形3。如果设置的打印温度偏高，打印时喷头处的打印丝材会偏向于液态，它的黏性会降低，流动性变强，出丝速度变快。这样可能会造成拉丝、塌陷和翘曲变形等情况出现。拉丝是在打印过程中，喷头穿越开放空间，由于温度偏高丝材黏性降低，部分丝材从喷头漏出而拉出一部分丝线，如图3（b）所示4。拉丝一般不会造成打印失败，但严重影响作品的外观。塌陷是指打印过程中由于出丝过快，在前一层丝材还未完全凝固时下一层的丝材就完成叠加，造成上层和下层的丝材交融，不能正确成型，整体呈现一种坍塌的形状，如图3（c）所示，它是制件常见的打印缺陷。打印温度偏高还可能造成制件的翘曲变形，这与打印温度偏低造成翘曲变形的原因不同。它是由于打印过程中丝材冷却时间变长，造成丝材在冷却过程中应力变化，从而引起了翘曲变形。因此，设置合适的打印温度对制件的质量至关重要5。3.3 热床温度热床温度是指打印前对打印热床预热的温度，1402023 年 4 月下Agricultural Machinery and Equipment农业机械与装备通常热床温度会保持到打印结束。热床温度直接影响成型过程中打印件的黏着效果和打印件的几何误差。热床温度根据所用材料的不同，预热温度也不尽相同。PLA材料热床加热温度在50 70 之间为宜，而ABS材料热床温度要在80 以上，不带保温罩则需要加热至100 110 为宜6。（a）翘曲变形（b）拉丝（c）塌陷图3打印缺陷热床加热可以有效减少打印时翘曲变形的产生。若热床关闭加热，喷头挤出的丝材将直接沉积在常温热床上，会产生温度梯度，导致材料内部应力增加，极易出现翘曲变形。若热床在打印前预热并保持合适温度，则会缩小温度差范围，降低材料内部应力水平和收缩变形程度，对消除翘曲变形起到作用7。但热床加热温度也不宜过高，沉积的丝材若长时间处于熔融状态，丝材之间会发生黏结使其失去原来形状，导致制件出现打印缺陷。3.4 填充形式填充形式是将轮廓内部实体部分以一定的样式进行密集扫描填充，以生成该层的实体形状。FDM成型工艺的填充形式主要有直线型、网格型、三角型、波浪型和蜂窝型。其中，打印比较常用的填充形式是网格型和蜂窝型。这里建议使用蜂窝型，因为蜂窝结构具有良好的力学性能。但其填充线的长度较短，填充开始和停止而造成的启停次数较多，很可能造成打印机的振动，打印误差增大，打印效率降低。3.5 填充密度填充密度即填充率，指模型内部用于支撑丝材的密集程度。填充密度越大，丝与丝之间的空隙越小，反之越大。可调范围为0%100%，100%为实心，0%为空心。设置不同填充密度，打印出的制件的力学性能也不同，填充密度越大，制件力学性能越高，但是过高的填充密度会导致打印成本提高，工作效率降低；但过低的填充密度会降低制件的力学性能，严重时会造成制件表面坍塌。因此，应根据模型强度需要，自行调整填充密度。通常模型填充密度可设置为20%左右。3.6 层厚层厚是指模型切片完成后每一层截面的厚度。当设置分层厚度时，厚度越小则打印层数越多，制件力学性能越好。但层厚过小时，喷头与打印面间距不足，会导致喷头出丝不畅甚至堵塞。同理，厚度越大则打印层数越少，打印效率提高。但层厚过大时，每层丝材的相对冷却时间减少，层与层之间的粘连强度不够，会导致制件断层或坍塌，力学性能变差，进而影响制件的质量。因此，设置合理的分层厚度，可提高制件力学性能和质量。通常分层厚度参数可设定在0.1 mm0.2 mm之间，最大不能超过喷嘴内径8。3.7 壁厚壁厚指的是模型表面厚度（不同于顶/底部厚度），壁厚设定值越大，模型越结实，但打印所需的时间就会变长。不能随意设定模型的壁厚，壁厚一般为喷头直径的整数倍。4 打印设备调试FDM 成型设备由主体框架、运动机构、挤出系统、控制电路、打印平台和打印材料组成。4.1 主体框架主体框架用于支撑整台成型设备的所有零部件2023 年 4 月下141Agricultural Machinery and Equipment农业机械与装备的装配，它的稳定性决定了打印机的制件精度。4.2 运动机构运动机构主要给予机械运动精确的线性定位。运动机构可以沿着三个互相垂直的方向移动，即 X轴、Y轴和Z轴，三个轴的运动主要通过步进电机去完成。因此，步进电机的性能直接影响成型过程中扫描的稳定性和准确性。同时，运动机构还在X、Y、Z三个轴向的最小和最大行程边界安放限位开关元件，用于监测打印边界信号并实现归零操作。打印时如果运动机构精度不够，会导致打印平台在打印过程中发生移位，模型与喷头之间的位置发生变化，使打印过程中相邻的两层发生错位，致使层与层之间分开。4.3 打印平台（热床）打印平台主要起承载打印物品的作用，它主要由热床和加热板组成。打印平台与制件打印效果直接相关，只有模型基座稳固附着在打印平台上，才可能顺利完成后续的打印流程。因此，打印前要对打印平台进行调整，并加强黏结力。4.3.1调整平台调整平台包括调整平台水平度和平台高度。调整平台水平度是要保证喷头与热床打印间隙的一致性，如果不一致，可能导致模型同一截面各处丝材与热床黏合程度不一致。调整平台高度是为了保证喷头与热床之间的距离适当，当喷头与热床之间距离过大时，容易造成材料的堆叠，影响模型的表面质量；而喷头与热床之间距离过小，又容易造成层与层之间的黏合度不够，所以