【解析】環(huán)境溫度對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，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)鍵問題，顯著影響著打印過程能否順利進行和制品精度，也是當(dāng)今快速成型技術(shù)領(lǐng)域迫切需 要解決的問題之一。 接下來，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，通過打印實驗研究FDM工藝中環(huán)境溫度對制品打印過程和制品成型精度的影響。

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

1.3 實驗步驟
在實驗中，將3D打印機放置于自制的環(huán)境箱內(nèi)，環(huán)境箱具有可控溫循環(huán)熱風(fēng)系統(tǒng)，通過溫控儀來 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，待打印機平臺溫度降低為20℃時，將小方片從平臺上取下來，并定義打印過程中噴嘴移動方向（y軸）為平行方向，平臺移動方向（x軸）為垂直方向。首先，測量樣片打印完成時平行和垂直方向的尺寸，然后將樣片在23℃恒溫箱中放置24h，再次測量其平行和垂直方向的尺寸以及翹曲情況。

1.4測試及儀器
（1）熔體質(zhì)量流動速率（MFＲ）測試 依據(jù)GB/T3682—2000測試原料的MFＲ值，測試溫度為220℃，負荷為10kg。
（2）收縮率測試 依據(jù)標準GB/T17037.4—2003采用注射制樣測試原料的收縮率，其中機筒溫度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，對其各向的收縮率進行測試，其中平行于熔體流動方向的模塑收縮率（Sp），以及垂直于熔體流動方向的模塑收縮率（Sn）分別按式（1）和（2）計算得出：

（3）成型制品翹曲度

圖1 樣片翹曲高度測量示意圖

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，并按照在打印機平臺上的放置順序從左上角逆時針順序依次標記為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，同樣會看到C處翹起，用游標卡尺測量C處的翹曲高度，按同樣的操作測量打印環(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)境溫度對打印制品翹曲率的影響。 定義砝碼加載A處時樣片C處的翹曲高度用h1 表示，砝碼加載B處時樣片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）計算得到的Sp和Sn值�？梢�，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制品的3D打印過程及最終制品的尺寸穩(wěn)定性具有顯著影響，因此需要開展3D打印工藝的研究，通過優(yōu)化打印工藝降低或消除制品打印過程中普遍存在的翹曲和收縮過大的問題。 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打印過程中，由于噴絲具有一定的寬度， 會造成填充輪廓路徑時的實際輪廓線超出理想輪廓線一些區(qū)域。因此，在計算樣片尺寸穩(wěn)定性時需要在生成輪廓路徑時對理想輪廓線進行補償。補償量應(yīng)當(dāng)是擠出絲寬度的一半。而實際工藝過程中擠出絲的形狀、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固定值，這里可以借鑒賈振元等的研究成果，確定補償量如下：

通過測量得出：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，所以補償量為W的一半，即0.3mm。根據(jù)測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，在同一個環(huán)境溫度下打印完成時的樣片收縮率要稍微低于調(diào)制24h后樣片的收縮率，這是因為樣片會在23℃恒溫放置過程中慢慢變形收縮，所以尺寸會再略微變小�？梢姡�在特定環(huán)境溫度下打印時，要對原始模型的尺寸進行相應(yīng)的修訂，以滿足制品尺寸穩(wěn)定性的要求。

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

2.2.2制品翹曲率研究

圖3 環(huán)境溫度對樣片翹曲高度的影

圖3所示為環(huán)境溫度對樣片翹曲高度的影響，由圖中可見，隨著打印環(huán)境溫度的增加，當(dāng)砝碼加載在A點時，樣片C點處的翹曲高度（h1）逐漸降低；而 當(dāng)砝碼壓B處時，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，說明環(huán)境溫度越高樣片各點的翹曲高度越來越小，整體上來看樣片會越來越平整。 分析認為，由于本次實驗使用的是熱塑性ABS塑料，打印成型過程中會發(fā)生兩次相變過程，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)過噴嘴擠出后冷卻凝固成固態(tài)。

ABS凝固過程中的體積收縮會產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，內(nèi)應(yīng)力會導(dǎo)致樣片翹曲的發(fā)生。而環(huán)境溫度會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動能量越高，另一方面由于體積膨脹，分子 間距離增加，大分子鏈活動空間增大，使得松弛過程 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)境溫度也不能過高，否則 零件表面會起皺 ，對于小截面的零件會產(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)時后一層就開始在其上堆積，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，同時擠出絲被噴頭拉著走。另一方面，打印環(huán)境溫度太低的話，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，影響打印過程 順利進行，并導(dǎo)致層間粘接不牢固，零件有開裂的傾向 �？梢姡�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，成型精度也會提高。

3結(jié)論
通過3D打印實驗，研究了FDM工藝中環(huán)境溫度對制品成型精度的影響。由本文實驗研究結(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)計補償；同時隨打印環(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，高達利，鄒 浩，劉建葉，董穆，郭家梁，邵靜波，呂蕓（中國石油化工股份有限公司北京化工研究院）

很棒的文章