張曉華，張李超，李智，史玉升

(1.華中科技大學，武漢 430074;2.哈爾濱理工大學，哈爾濱 150040)

增材制造(Additive Manufacturing，AM)是通過CAD設(shè)計數(shù)據(jù)采用材料逐層累加的方法制造實體零件的技術(shù)，相對于傳統(tǒng)的材料去除(切削加工)技術(shù)，是一種“自下而上”材料累加的制造方法[1]。AM技術(shù)自從20世紀80年代以來，已歷經(jīng)二三十年的持續(xù)發(fā)展，近年來隨著各國政府不斷增加的支持力度，受到越來越多的關(guān)注[2—7]。

AM技術(shù)不需要傳統(tǒng)的刀具、夾具及多道加工工序，利用三維設(shè)計數(shù)據(jù)在一臺設(shè)備上可快速而精確地制造出任意復雜形狀的零件，從而實現(xiàn)“自由制造”，解決許多過去難以制造的復雜結(jié)構(gòu)零件的成形，并大大減少了加工工序，縮短了加工周期，而且越是復雜結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品，其制造的速度作用越顯著。根據(jù)加工材料和加工方式的不同，AM技術(shù)目前已經(jīng)分為SLS(Selected Laser Sintering，激光選擇燒結(jié))[8—9]、SLM(Selected Laser Melting，激光選擇融化)[10—12]、LOM(Laminated ObjectManufacturing，疊 層 實 體 制造)[13—14]、3DP(3 Dimensional Printing，3D 打印)、SLA(Stereo Lithography Apparatus，光固化成形法)[15—17]、FDM(Fused Deposition Modeling，重熔沉積法)[18]、LENS(Laser Engineered Net Shaping，激光近凈成形)等多種技術(shù)。

其中FDM技術(shù)，是目前發(fā)展較為成熟的一種，尤其是PLA，ABS等之類的硬質(zhì)材料，可以采用FDM技術(shù)進行方便地打印。針對柔性材料，現(xiàn)在較多的是采用SLA技術(shù)進行成形，但SLA技術(shù)必須采用液態(tài)原料，用紫外光進行固化的工藝，對打印的外部環(huán)境要求較高，限制了其在某些特定環(huán)境中的應用。相對來說，F(xiàn)DM技術(shù)對環(huán)境要求較低，僅采用簡單的加熱將絲材融化，就可以進行3D打印成形。目前，硬性材質(zhì)的FDM技術(shù)日趨成熟，進一步大力就柔性材料的FDM技術(shù)打印進行研發(fā)，已經(jīng)是一個迫切需要解決的課題。

本課題基于上述思想，采用市面上普通的FDM設(shè)備，針對柔性材料打印的難點進行分析，推導出柔性材料進絲和設(shè)備、材料以及工藝參數(shù)之間的理論關(guān)系，基于柔性材料的熔融特性，分析工藝參數(shù)對制件表觀的影響，為進一步深入研究柔性材料的FDM工藝奠定基礎(chǔ)。

1 實驗方法

所選柔性材料為市面上常見的某廠家所產(chǎn)TPU(Thermoplastic polyurethanes，熱塑性聚氨酯彈性體橡膠)類耗材，抗拉強度約30 MPa，斷裂伸長率約為600%。所用設(shè)備為普通FDM機器，采用齒輪轉(zhuǎn)動進絲，電阻加熱融化絲材，絲材直徑為1.75 mm，噴嘴直徑為0.4 mm，打印速度在20～100 mm/s可調(diào)，層厚控制可在0.06～0.30 mm之間，噴頭溫度加熱最高可達280℃，可以滿足絕大多數(shù)材料的打印需求。

首先將柔性絲材TPU固定安裝在支撐架上，絲材通過進絲機構(gòu)進入喉管和噴頭，采用電阻加熱融化，工作平板調(diào)平后開始打印。在打印之前，拆開相應風扇，露出進絲齒輪，包括主動輪和從動輪，以方便觀察工作過程中進絲工作過程。打印制件的形狀和尺寸如圖1所示，打印參數(shù)見表1，打印制件分為5組，每組采用相同的參數(shù)打印3個，挑選具有典型特征的制件進行分析。具體打印參數(shù)如表1所示。

圖1 FDM打印件的形狀及尺寸Fig.1 Shape and dimensions of the part printed by FDM

表1 測試件打印參數(shù)Table1 List of technology parameters for the test part

2 實驗結(jié)果及討論

2.1 柔性材料打印難點分析

柔性材料在FDM 3D打印過程中面臨的最主要問題就是纏絲，如圖2所示，在FDM工作過程中，主動齒輪以一定的角速度ω順時針旋轉(zhuǎn)，在從動輪的配合下，帶動一定直徑φl的線性材料向下運動，進入喉管熔化，從直徑為φs的噴頭噴出進行打印成形。如果打印所用的線性材料較軟，剛性不夠，或者下面喉管融化的料沒有及時從噴頭噴出，線性材料進一步進入喉管的阻力增加，則在主動齒輪連續(xù)的旋轉(zhuǎn)下，線材就會從平臺和主動齒輪之間的間隙處彎曲，主動齒輪連續(xù)旋轉(zhuǎn)，彎曲演變?yōu)槔p絲，從而影響FDM的正常打印行為。從上述FDM工作過程以及分析可以看出，造成纏絲現(xiàn)象的主要原因有:①線性材料剛性不夠;②在主動齒輪和下方的平臺之間有大于線性材料直徑的間隙存在;③齒輪旋轉(zhuǎn)角速度較大，與噴頭打印行為不匹配，造成進絲阻力較大。其中第①條原因，是由打印需求決定的，不容易做出改變。針對第②條原因，可以在平臺的上部，通過連接喉管設(shè)置一個新的線性材料的通道，或者直接將喉管做長，伸出平臺上部一部分，使得喉管和齒輪制件的間隙小于線性材料的直徑，對柔性材料可能的纏絲起到阻礙作用。要想從根本上解決柔性材料的纏絲現(xiàn)象，主要還得從第③點入手，即協(xié)調(diào)匹配好絲材的進絲量和噴頭噴涂量之間的關(guān)系。

圖2 FDM機器進絲結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Sketch map of feed device of FDM machine

根據(jù)一定時間Δt內(nèi)進入噴頭的線材體積等于噴頭噴出的融化體積:

整理后，得:

式中:v為噴頭運動速度;φs為噴嘴直徑;Δh為層厚;φg為齒輪外直徑;ω為齒輪角速度;φl為線材直徑。式(2)表明齒輪轉(zhuǎn)動的角速度和機器的機械結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)之間的關(guān)系。一般情況下，機器完成設(shè)計后，其噴頭直徑φs、齒輪外直徑φg以及線材直徑φl也都是確定值，則齒輪旋轉(zhuǎn)的角速度和噴頭的打印速度v，層厚Δh成正比關(guān)系，即噴頭運動速度v越大，層厚越大，齒輪旋轉(zhuǎn)也越快，以補充噴頭相同時間內(nèi)消耗的熔融絲材的體積。

需要指出的是，式(2)只是理論上的分析計算，在實際工藝中，各種誤差可能也會對纏絲造成影響，比如所采用的線性絲材直徑的誤差，如果誤差值一直在誤差范圍的上限，而且在連續(xù)打印的過程中持續(xù)性了一定時間，則也會造成絲材進絲阻力增加，引發(fā)纏絲現(xiàn)象。

2.2 工藝參數(shù)對制件成形的影響

圖3為采用不同工藝參數(shù)打印件的宏觀形貌圖。從圖3中可以看出，不同的工藝參數(shù)打印件宏觀形貌有區(qū)別。表面質(zhì)量最差的是標號為4的制件，在制件中，可以觀察到很多大小不一的孔洞，如果將這些孔洞對著光源觀察，可以看到這些孔洞基本上都是通孔。造成這種現(xiàn)象的原因，是TPU材料的粘絲現(xiàn)象。制件4的打印溫度為250℃，在這個溫度下，TPU材料內(nèi)部分子之間的粘性增加，在FDM打印過程中，熔融態(tài)材料經(jīng)噴嘴噴涂出之后，由于粘性太大，不能均勻地融敷在打印平板之上。FDM的特點與SLS或者SLM相反，后者具有自動調(diào)平功能，也就是說，如果先期的打印過程中，后者出現(xiàn)層厚不均勻情況，在后面的打印過程中，會慢慢地趨于一致;而在FDM工藝中，先期的層厚不均勻，會造成后繼打印過程中這種不均勻狀況的進一步加劇。

圖3 測試件宏觀形貌Fig.3 Appearance of the test part printed by FDM

從圖3中也可以看出，標號為5的制件表面質(zhì)量相對較好，這也是和打印溫度有關(guān)。該件的打印溫度為220℃，相對較低，在打印過程中熔融態(tài)材料可以較好的融敷在平板上，從而打印制件相對光滑。制件1、制件2和制件3是在其他工藝參數(shù)相同的情況下，改變打印的層厚獲得的不同制件?？梢钥闯?，表面質(zhì)量和打印層厚并沒有很明顯的對應關(guān)系，表面質(zhì)量較好的編號為2的制件，打印層厚為0.1 mm，而表面質(zhì)量相對較差的1制件和3制件打印層厚分別為0.2 mm和0.06 mm。首先應該明確的是，通常說的層厚越小，打印精度越高，主要是指在鉛垂方向上，也就是說，層厚影響的精度，主要是在鉛垂方向上的精度。從圖3可以看出，層厚并不影響打印制件水平平面，那么，在工藝參數(shù)均相同的情況下，制件1和制件2以及制件3的表觀質(zhì)量不同，其原因主要是很少討論的一個參數(shù)，首層打印間隙，也就是指打印剛開始的時候，噴嘴和打印平板制件的距離。針對常見的PLA或者ABS硬質(zhì)打印材料來說，這個參數(shù)可能是一個相對寬泛的范圍，只要保證首層打印間隙落在這個范圍內(nèi)，即可以保證打印正常進行，而針對TPU材料，其在一定的溫度下，粘性相對較較大，粘絲情況嚴重，其首層打印間隙的范圍相較于常見的硬質(zhì)材料，縮小很多，其重要性也越發(fā)凸顯。首層打印間隙太大，則由于TPU材料本身的粘性，經(jīng)噴嘴噴出的熔融態(tài)材料不能均勻的與打印平板粘合，在后繼的打印過程中，也不能彌補這一點，就會造成打印出來的制件表觀質(zhì)量相對較差。

為深入研究不同工藝參數(shù)對打印的影響，進一步設(shè)計了圓環(huán)進行FDM工藝研究，圓環(huán)每個水平面尺寸均不同，可以方便地觀察不同打印溫度對打印制件的影響。圖4a為230℃下打印不同層厚制件情況，圖4b為250℃下因不同層厚制件，可以看出，制件在250℃下打印，其成形質(zhì)量明顯要差于230℃下打印制件。250℃制件，表面凹凸不行，成形后有熔融態(tài)TPU材料的流淌發(fā)生，230℃成形制件較250℃成形制件表面質(zhì)量要好，流淌現(xiàn)象消失。在相同的冷卻情況下，溫度更高的熔融態(tài)TPU經(jīng)噴嘴噴出后，來不及固化，圓環(huán)上下截面有差異，則在重力的作用下發(fā)生流淌，影響制件表面質(zhì)量。在230℃下打印制件，隨著層厚的減小(圖4a從左向右厚度依次為0.2，0.1，0.06 mm)，表面質(zhì)量進一步得到提升，0.1 mm 較0.2 mm有較為明顯的提升，而0.06 mm較0.1 mm已經(jīng)相差不大。250℃制件，其流淌現(xiàn)象在層厚為0.06 mm(圖4b右)較層厚為0.2 mm制件(圖4b左)為輕，主要原因為層厚較小時，噴頭噴涂的熔融態(tài)聚合物量也減少，冷卻速度快，流淌減輕。

圖4 不同F(xiàn)DM打印溫度及層厚條件下的圓環(huán)實物圖Fig.4 Appearance of O ring printed by FDM at different printing temperature and layer thickness

3 結(jié)論

柔性材料TPU的FDM打印，由于材料較軟，打印過程中易于發(fā)生纏絲現(xiàn)象，需要在打印機器和工藝參數(shù)上做出相應調(diào)整，才能順利打印。進絲量和打印速度之間的匹配至關(guān)重要，一般應該滿足下列公式:

即進絲主動輪旋轉(zhuǎn)的角速度和打印速度v和打印層厚Δh成正比，比例系數(shù)取決于噴嘴直徑φs、主動輪外徑φg以及所使用絲材的直徑φl。

柔性材料TPU的FDM打印，打印溫度和打印層厚對于打印制件表面質(zhì)量有較大的影響。打印溫度過高，TPU容易出現(xiàn)拉絲現(xiàn)象，在打印件中造成孔洞，其主要原因在于TPU材料粘性較大;同時，和硬質(zhì)材料的FDM工藝相比，首層打印間隙在柔性材料TPU的FDM工藝過程中，對后繼打印的狀況影響也越加明顯，打印前需要精確調(diào)整為合適的值。同時，溫度較高的TPU的FDM打印，在水平截面不等同的情況下，容易造成熔融態(tài)材料流淌狀況，影響制件表觀質(zhì)量。

[1]YANG J，SHI Y，SHEN Q，et al.Selective Laser Sintering of HIPS and Investment Casting Technology[J].Journal of Materials Processing Technology，2009，209:1901—1908.

[2]WANG S，LI S，WEI Q，et al.Effect of Molten Pool Boundaries on the Mechanical Properties of Selective Laser Melting Parts[J].Journal of Materials Processing Technology，2014，214:2660—2667.

[3]王宏松，汪程，修輝平.模具數(shù)字化設(shè)計與快速制造[J].精密成形工程，2014，6(2):55—59.WANG Hong-song，WANG Cheng，XIU Hui-ping.Digital Design and Rapid Manufacturing Technology of Mold[J].Journal of Netshape Forming Engineering，2014，6(2):55—59.

[4]王宏松，萬曼華，彭福官.基于RE/RP/RT技術(shù)人工骨的快速成形[J].精密成形工程，2013，5(2):55—58.WANG Hong-song，WAN Man-hua，PENG Fu-guan.Rapid Forming of Artificial Bone based on RE/RP/RT Technology[J].Journal of Netshape Forming Engineering，2013，5(2):55—58.

[5]蔡冬根，周天瑞.基于STL模型的快速成形分層技術(shù)研究[J].精密成形工程，2012，4(6):1—4.CAI Dong-gen，ZHOU Tian-rui.Research on the Slicing Technology of Rapid Prototyping Based on STL Model[J].Journal of Netshape Forming Engineering，2012，4(6):1—4.

[6]王向偉.彩色快速成形制件著色誤差分析[J].精密成形工程，2010，2(4):27—31.WANG Xiang-wei.Analysis of Color Rapid Prototyping Workpiece Shading Error[J].Journal of Netshape Forming Engineering，2010，2(4):27—31.

[7]王向偉，王揚，馬麗心.彩色成形件的力學性能檢測[J].精密成形工程，2010，2(3):57—61.WANG Xiang-wei，WANG Yang，MA Li-xin.Mechanical Property Testing of Color Molded Workpieces[J].Journal of Netshape Forming Engineering，2010，2(3):57—61.

[8]BAUEREIB A，SCHAROWSKY T，KOMER C.Defect Generation and Propagation Mechanism during Additive Manufacturing by Selective Beam Melting[J].Journal of Materials Processing Technology，2014，214:2522—2528.

[9]SUN J，YANG Y，WANG D.Mechanical Properties of a Ti6Al4V Porous Structure Produced by Selective Laser Melting[J].Materials ＆ Design，2013，49:545—552.

[10]LOH L，CHUA C，YEONG W，et al.Numerical Investigation and an Effective Modelling on the Selective Laser Melting(SLM)Process with Aluminium Alloy 6061[J].International Journal of Heat and Mass Transfer，2015，80:288—300.

[11]GU D，WANG H，CHANG F，et al.Selective Laser Melting Additive Manufacturing of TiC/AlSi10Mg Bulk-form Nanocomposites with Tailored Microstructures and Properties[J].Physics Procedia，2014，56:108—116.

[12]SIDDIQUE S，IMRAN M，WYCISK E，et al.Influence of Process-induced Microstructure and Imperfections on Mechanical Properties of AlSi12 Processed by Selective Laser Melting[J].Journal of Materials Processing Technology，2015，221:205—213.

[13]CHIU Y，LIAO Y，HOU C.Automatic Fabrication for Bridged Laminated Object Manufacturing(LOM)Process[J].Journal of Materials Processing Technology，2003，140:179—184.

[14]JAIGANESH V，CHRISTOPHER A，MUGILAN E.Manufacturing of PMMA Cam Shaft by Rapid Prototyping[J].Procedia Engineering，2014，97:2127—2135.

[15]王小騰，邱俊峰，謝彪，等.3D打印光固化高分子材料的成形過程與表征[J].山東化工，2014，43(11):1—2.WANG Xiao-teng，QIU Jun-feng，XIE Biao，et al.The Forming Process and Characterization of Polymer Used for UVCuring Three-Dimentional Printing[J].Shandong Chemical Industry，2014，43(11):1—2.

[16]何岷洪，宋坤，莫宏斌，等.3D打印光敏樹脂的研究進展[J].功能高分子學報，2015，28(1):102—108.HE Min-hong，SONG Kun，MO Hong-bin，et al.Progress on Photosensitive Resins for 3D Printing[J].Journal of Functional Polymers，2015，28(1):102—108.

[17]RAJU B，SHEKAR U，VENKATESWARLU K，et al.Establishment of Process Model for Rapid Prototyping Technique(Stereolithography)to Enhance the Part Quality by Taguchi Method[J].Procedia Technology，2014，14:380—389.

[18]MCCULLOUGH E，YADAVALLI V.Surface Modification of Fused Deposition Modeling ABS to Enable Rapid Prototyping of Biomedical Microdevices[J].Journal of Materials Processing Technology，2013，213:947—954.