FDM快速成型工艺支撑结构参数的实验研究

范孝良,李传帅,代红川,赵 冲

(华北电力大学 机械工程系,河北 保定 071003)

FDM快速成型工艺支撑结构参数的实验研究

范孝良,李传帅,代红川,赵 冲

(华北电力大学 机械工程系,河北 保定 071003)

支撑添加技术决定着打印零件的成败,是熔融沉积(FDM)工艺中一项关键技术.支撑的作用主要是保持零件形状、减少翘曲变形.支撑只是一种辅助结构,打印完成后应便于去除.为了进行支撑工艺参数的优化研究,讨论了支撑的添加规则,通过正交试验对FDM工艺中支撑添加技术进行研究,得到了使支撑易于去除的最佳工艺参数.并通过试验确定了零件悬空部分不加支撑即可成形的极限尺寸,具有重要的实际参考价值.

3D打印; 熔融沉积; 正交试验法; 支撑结构; 悬空特征

0 引言

3D打印又称增材制造技术,按照ASTM F42标准的定义[1],3D打印是以数字模型文件为基础,运用机械工程、材料工程、控制工程等技术手段,通过材料逐层堆积成形的技术.根据技术原理的不同,3D打印技术可以分为多种不同的类型[2],其中以熔融沉积(FDM)、分层实体制造(LOM)、三维印刷(3DP)、选择性激光烧结(SLS)以及光固化成形(SLA)这5种3D打印技术应用最为广泛.

在FDM工艺中,支撑技术是决定零件打印成败的一项关键技术[3].支撑包括基底支撑和对零件原型的支撑两种[4],见图1.FDM工艺过程是喷头熔融挤压热塑性材料而逐层叠加成形.当层间的形状差别比较大,上层截面大于下层截面时,就需要添加支撑来保证打印过程顺利进行[5-6].支撑的主要作用是保持零件形状、减少零件的翘曲变形,防止零件悬空部分的塌陷.

图1 FDM工艺原理与支撑Fig.1 Process principle and support structure of FDM

目前研究主要集中在支撑生成算法[7-9]和支撑结构设计策略[10-11]等方面,很少有针对支撑结构工艺参数方面的研究.合理的设置支撑工艺参数,可以在保证成型精度的前提下,减少支撑的生成,便于支撑结构的去除.文献[12]从理论分析的角度,采用有限元分析方法,总结出支撑添加的规则.文献[13]为了更好地去除支撑,研究了支撑工艺参数对加工质量的影响.文献[14]针对零件悬空部分支撑的问题,通过实验方法得到了悬空特征无需添加支撑即可成形的零件悬空参数.支撑工艺参数的设置直接影响成型精度,决定着支撑结构的强度和可去除性.本文将通过实验的方法研究支撑结构工艺参数对加工质量的影响.

1 FDM支撑工艺

1.1 支撑的工艺参数[13,15]

支撑生成的工艺参数决定着支撑生成的时间、数量和强度.

(1) 支撑的填充间距w。支撑的填充间距就是相邻支撑路径之间的距离,决定着支撑结构疏松程度和支撑与零件的分离难易程度.取值过大,支撑结构稀疏,易造成零件表面与支撑接触的部分质量不好.取值过小,支撑结构紧密,强度太高,致使支撑难以分离.

(2) 支撑临界角度α。当零件倾斜角度(垂直于打印平台是90°)大于这个给定角度α时,将不会产生支撑材料.角度越小,生成的支撑越少.

(3) 支撑的出料速度v。支撑的出料速度主要影响支撑的强度和零件的成形时间.一个合理的出料速度,既能保证打印的顺利进行又能节省打印时间.

(4) 支撑填充方式。蜂窝状填充结构稳定,线条连贯.一般选择直线型填充.某些特定的模型更适合特定的填充模式,可以根据个人爱好选择,并观察效果.

(5) 支撑与打印物体的距离d。指支撑材料在X/Y方向和物体的距离、在Z方向和打印物体的底部和顶部的距离.一个合适的距离可以使支撑不会和打印物体黏结在一起,容易被去除.

1.2 支撑的添加原则

在实际添加支撑的过程中,掌握支撑添加的原则很有必要[16]:

(1) 支撑的强度与稳定性。添加支撑的作用是为打印件提供定位与支撑,避免零件悬空部分发生塌陷.因此,支撑应具有足够的强度和稳定性.如果支撑强度不足,支撑自身就会容易变形.如果支撑强度太高,支撑便难以去除.支撑的强度与稳定性和支撑材料性能、支撑填充形式、填充间距等有关.

(2)支撑的制作时间。FDM作为快速成形技术的一种,在保证成形质量的前提下,应尽量少添加支撑,甚至不添加支撑,以减少打印时间和材料.所以研究零件悬空部分无需添加支撑的技术就很有必要,本文将通过试验的方法讨论无支撑添加技术.支撑的制作时间与支撑的填充间距、支撑打印速度等有关.

(3) 支撑的可去除性。在零件打印完成时,支撑结构要易于去除,以便于打印件的后处理.现在处于研究热点的水溶性支撑材料,很好的解决了这个问题.但是对于单喷头打印机,支撑材料与原型材料一样,支撑材料是否容易去除至关重要.下面通过实验的方法研究支撑工艺参数对支撑可去除性的影响,找出支撑容易被去除且同时保留足够强度的最佳工艺参数.

2 支撑工艺参数的实验研究

2.1 试验加工方案

正交试验设计(Orthogonal experimental design)使用现成的正交表来安排试验,是研究与处理多因素试验的一种科学有效的方法,突出的优点是其减少了试验次数,因此已经在工程领域取得了广泛应用[17].根据工艺参数分析,选取支撑填充间距、支撑临界角度和支撑出料速度为研究对象,通过正交试验法来研究支撑工艺参数对零件加工质量影响.

试验采用FDM工艺3D打印机,以下图所示飞机模型为测试件,成型材料为直径1.75 mm的PLA.其他工艺参数设置为喷嘴直径0.4 mm,层高0.1 mm,打印温度210 ℃,热床温度60 ℃,填充形式选择为直线型填充.

试验因子与水平对照表如表1所示,安排一个三因素三水平的试验,三因素即支撑填充间距w、支撑临界角度α、支撑出料速度v,分别标记为A,B,C.三水平即将每一个因素分为三个水平,标记为1,2,3.选用L9(34)正交表[18],安排试验如表2所示.

表1 试验因子与水平表Tab.1 Experiment factor and level table

表2 试验安排表Tab.2 Experiment arrangement

2.2 实验加工结果

图2 测试成功样件(A1B3C3组合)Fig.2 Successful samples

图3 测试失败样件(剩余支撑难以去除)Fig.3 Unsuccessful samples

通过以上正交试验,得到使支撑容易去除的最佳工艺参数组合A1B3C3,即支撑临界角度α=20°、支撑出料速度v=90 mm·s-1、支撑填充间距w=4 mm,该成型件如图5所示.采用该支撑工艺组合,在满足支撑强度的条件下,所需支撑较少,支撑便于去除.图3中零件打印失败皆是因为支撑难以去除,去除过程中会严重影响零件表面质量,甚至破坏零件.

通过该试验发现,支撑工艺参数的设置至关重要.合理的工艺参数组合可以节约打印材料,节省打印时间,保证成型精度.在实际打印过程中,不同的打印模型对支撑工艺参数的要求也不一样.总体原则是,在保证成型精度的前提下,支撑临界角度宜取较小值,支撑填充间距宜取较大值,以减少支撑的生成;支撑打印速度宜取较大值,以节省打印时间.

3 无支撑成形技术的实验研究

在上述飞机模型打印过程中会发现,有些零件悬空部分在不添加支撑时也能较好地成形,因此探究无支撑成形技术具有重要的实际参考价值.

文献[14]以ABS为原料,采用MEM工艺,对零件不加支撑的成形技术进行了试验研究.但是针对于FDM工艺的,以PLA为原料的零件悬空特征无支撑成形的技术尚未见研究报道.PLA中文名为聚乳酸,是一种环保可降解的新型材料,具有优于ABS材料的一些特点:熔点低,熔融时气味适宜、流动性好,材料刚度好.

图4 常见零件悬空特征Fig.4 Common dangling characteristics in part

3.1 试验加工方案

试验加工采用FDM工艺3D打印机,原材料丝状塑料PLA,直径为1.75 mm,喷嘴直径0.4 mm,层高0.1 mm,打印温度210 ℃,热床温度60 ℃.针对图4中的悬空特征,设计测试零件如图5所示.

3.2 试验加工结果

从试验结果图6中可以看出,随着零件悬空部分悬臂量的增加,悬臂区域的变形也随之增大.对悬空特征的成形质量分析见表3,对零件表面要求较低时,可以适当选择较大的悬空尺寸.根据成形情况,最大悬空尺寸a可取9 mm,b取3 mm.该试验得出的最大悬空尺寸可为实际加工提供参考作用.

图5 测试零件Fig.5 Test parts

图6 实验结果图Fig.6 Experimental result

表3 悬空特征成形质量分析Tab.3 Molding quality analysis of dangling characteristics

只要变形量没有超过成型精度的要求,就不需要添加支撑.这是因为在FDM工艺成形悬空部分底层时,挤出的丝料延喷嘴轨迹在空中迅速硬化,从而无需添加支撑即可形成悬空部分.

4 结论

在打印后处理的过程中,支撑的可去除性对零件质量有着重要影响.合理设置支撑的工艺参数,使支撑容易被分离,可以保证零件的表面质量.本文通过正交试验得到支撑结构易被去除的最优支撑工艺参数组合,即支撑临界角度α=20°、支撑出料速度v=90 mm·s-1、支撑填充间距w=4 mm.

在运用FDM工艺成形零件时,对符合条件的零件悬空部分进行无支撑加工,可节省打印时间,减少材料的浪费,提高零件的表面质量.随着零件悬空部分尺寸的增大,悬空部分的成形质量变差.本文中得出的最大悬空参数值可作为实际加工的参考.

另外,在实际成形零件时,应合理调整零件成形方向,避免或减少生成支撑,可以提高零件成形效率和成形质量.

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Experiment research on supporting structure parameters for fused deposition modeling

FAN Xiao-liang,LI Chuan-shuai,DAI Hong-chuan,ZHAO Chong

(College of Mechanical Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003, China)

In the printing process, the supporting design, a key technology in FDM, can keep the part shape and reduce the curl distortion. As an auxiliary structure, the support should be easily removed after printing. In order for optimal parameters, the supporting technologies are first investigated. As such, the support-additive technology is then studied on optimum parameters via orthogonal experimental design during FDM process. Finally, the maximum suspending dimensions of prototyping parts are confirmed via testing.

3D printing; fused deposition modeling; orthogonal experiment; support structure; suspended feature

本文为华北电力大学本科教育教学改革研究项目(13041501),教育部高等学校“专业综合改革试点”项目的研究成果.

范孝良(1962—),男,教授,硕士生导师.E-mail:wcx803@163.com.

TP 311.5

A

1672-5581(2016)06-0520-05