(南京林業(yè)大學(xué)家居與工業(yè)設(shè)計(jì)學(xué)院，江蘇 南京210037)

快速成型技術(shù)作為一種新興的零件制造方式，應(yīng)用層層堆積、增材制造的手段生產(chǎn)加工零件。與傳統(tǒng)的鑄造、機(jī)械加工等方法相比，更容易適應(yīng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的變化，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期[1]。依靠此技術(shù)可以生成非常復(fù)雜的實(shí)體，而且成型過程中無需模具的輔助[2]。熔融沉積快速成型技術(shù)作為最為普及的快速成型技術(shù)[3]，因其不采用激光，儀器的使用、維護(hù)比較便捷，成本不高。利用ABS、PLA材料制作成型的模型具有較高的強(qiáng)度，可以直接用于產(chǎn)品的測(cè)試和評(píng)估等，被廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品原型開發(fā)、樣機(jī)制作等方面[4]。

1 熔融沉積快速成型工作原理

熔融沉積快速成型是將絲狀的成型材料按指定溫度融化，使材料保持半液體狀態(tài)，通過擠出頭均勻擠出，在計(jì)算機(jī)代碼的控制下，有選擇地沉積在成型平臺(tái)上，迅速冷卻并固化[5]。當(dāng)完成一層截面的沉積后，成型平臺(tái)下降預(yù)定高度，繼續(xù)下一層的沉積[6]。如此重復(fù)，層層堆積完成實(shí)體模型[7]。熔融沉積快速成型的工作原理如圖1所示。

圖1 熔融沉積快速成型工作原理

2 熔融沉積快速成型工藝過程

熔融沉積快速成型的工藝流程包括前處理過程、成型過程、后處理過程三個(gè)主要階段[8]。其中，對(duì)熔融沉積工藝制作原型件機(jī)械性能影響較大的是前處理過程[9]，前處理過程包含建立模型、模型布置、參數(shù)設(shè)置等方面。

2.1 建立模型

熔融沉積快速成型前處理過程中，首先需要建立三維實(shí)體模型，建立三維實(shí)體模型的方法有兩種，一種是正向建模的方法，通過實(shí)際測(cè)繪或參考零件的二維圖，使用Solidworks、UG、CATIA等軟件等比例繪制出三維實(shí)體模型[10]。另一種是逆向工程的方法，對(duì)于一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜或曲面復(fù)雜的模型，可以使用激光掃描儀進(jìn)行逆向掃描，得到點(diǎn)云數(shù)據(jù)，再通過后處理軟件處理得到三維實(shí)體模型[11]。正向建模和逆向掃描的方法也可以同時(shí)使用，相互結(jié)合，以獲得高質(zhì)量的產(chǎn)品模型[12]。

2.2 模型布置

熔融沉積快速成型機(jī)的控制軟件需要載入STL模型。因此，三維軟件中建立的模型必須轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)格式。為了保證成型精度和表面質(zhì)量，轉(zhuǎn)換過程中需要根據(jù)不同軟件設(shè)置恰當(dāng)?shù)年P(guān)鍵參數(shù)，避免出現(xiàn)環(huán)邊、破面等問題[13]。模型布置即對(duì)載入的STL模型進(jìn)行空間排布，在對(duì)接軟件中操作。模型布置的質(zhì)量直接影響打印時(shí)間和支撐用材[14]。因此，模型布置必須參考模型布置原則，探索最優(yōu)方案，實(shí)現(xiàn)打印過程的優(yōu)化。

2.3 參數(shù)設(shè)置

載入STL數(shù)據(jù)后，需要對(duì)熔融沉積快速成型機(jī)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，參數(shù)主要包含加工壁厚、成型層厚、填充率等。

(1)加工壁厚：加工壁厚是指熔融沉積快速成型控制程序?qū)θS實(shí)體模型切片時(shí)最外層輪廓向內(nèi)偏置的距離，成型件壁厚的范圍與其大小和形狀相關(guān)[15]。

(2)成型層厚：成型層厚是指熔融沉積快速成型控制程序?qū)θS實(shí)體模型切片時(shí)相鄰兩層之間的高度[16]，本試驗(yàn)使用快速成型機(jī)的成型層厚為0.1～0.3 mm。

(3)填充率：填充率又稱 “密度”。擠出頭在填充時(shí)，模型內(nèi)部既有填充區(qū)域，又有未填充區(qū)域，填充區(qū)域占整體模型的比例就是模型填充率[17]，范圍為0%～100%。

3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

熔融沉積快速工藝常用設(shè)備為桌面級(jí)熔融沉積3D打印機(jī)，該打印機(jī)具有體積小、操作簡(jiǎn)單、成本低等特點(diǎn)[18]。針對(duì)桌面級(jí)熔融沉積3D打印機(jī)不同參數(shù)設(shè)置成型件機(jī)械性能表現(xiàn)不同的問題，本文通過正交試驗(yàn)法，探究熔融沉積快速成型工藝制作模型的機(jī)械性能影響因素。試驗(yàn)使用型號(hào)為寶巖HoFi-2型的快速成型機(jī)，根據(jù)快速成型機(jī)加工參數(shù)分類，選取加工壁厚、成型層厚、填充率為正交試驗(yàn)的影響因子。

4 試驗(yàn)過程

參考塑料拉伸試驗(yàn)方法《GB/T 1040.2-2006塑料拉伸性能測(cè)定》中的“模塑和擠塑的試驗(yàn)條件”部分。使用1BA型試樣，標(biāo)稱應(yīng)變速率接近標(biāo)準(zhǔn)尺寸試樣的應(yīng)變速率。標(biāo)稱應(yīng)變速率為試驗(yàn)速度[19]，本次試驗(yàn)采用的速度為10 mm/min。試件尺寸如圖2所示。

圖2 試件尺寸

通過UG軟件建立試件模型，以同樣的切片精度導(dǎo)出STL文件。本試驗(yàn)主要評(píng)定試件的抗拉強(qiáng)度，使用萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行抗拉強(qiáng)度測(cè)量。根據(jù)加工壁厚、成型層厚、填充率的參數(shù)組合，設(shè)置HoFi-2的加工參數(shù)，制作9組試件，對(duì)這些試件進(jìn)行抗拉強(qiáng)度測(cè)量。正交試驗(yàn)因素水平見表1，試驗(yàn)方案及計(jì)算結(jié)果見表2，方差分析見表3，抗拉強(qiáng)度極差如圖3所示。

表1 正交試驗(yàn)因素水平

表2 試驗(yàn)方案及計(jì)算結(jié)果

表3 方差分析

圖3 抗拉強(qiáng)度極差

5 試驗(yàn)分析

(1)從表2和圖3可以看出，填充率A以A3為最好。填充率所屬列中K1、K2、K3比較結(jié)果為K3最大，抗拉強(qiáng)度值也最大。因此，在0%～100%的填充率范圍內(nèi)，數(shù)值越大，成型件抗拉強(qiáng)度值也越大。

(2)從表2和圖3可以看出，成型層厚B以B3為最好。成型層厚所屬列中K1、K2、K3比較結(jié)果為K3最大，抗拉強(qiáng)度值也最大。因此，在0.1～0.3 mm切片厚度范圍內(nèi)，切片厚度越小，成型件抗拉強(qiáng)度值越大。

(3)從表2和圖3可以看出，成型壁厚C以C1為最好。擠出速度所屬列中K1、K2、K3比較結(jié)果為K1最大，抗拉強(qiáng)度值也最大。因此，在一定成型壁厚范圍內(nèi)，壁厚值越大，成型件抗拉強(qiáng)度值也越大。

(4)從表3可以看出，因素B在顯著水平為0.1時(shí)顯著，因素A在顯著水平為0.01時(shí)高度顯著，因素C不顯著。

(5)從圖3可以看出，本次試驗(yàn)最優(yōu)組合為A3B3C1，這個(gè)組合并不包含在試驗(yàn)設(shè)計(jì)中，更能說明試驗(yàn)的效果明顯。對(duì)此試驗(yàn)結(jié)果繼續(xù)驗(yàn)證，按該組合對(duì)應(yīng)的參數(shù)制作試件，對(duì)該試件進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，測(cè)得其抗拉強(qiáng)度為27.372 MPa。高于試驗(yàn)設(shè)計(jì)表格中抗拉強(qiáng)度最大值26.752 MPa，說明A3B3C1為最優(yōu)方案。工藝參數(shù)優(yōu)化組合見表4。

表4 最優(yōu)參數(shù)組合

6 小結(jié)

熔融沉積快速成型技術(shù)作為3D打印領(lǐng)域里最為普及的技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于設(shè)計(jì)和生產(chǎn)實(shí)踐中。本文針對(duì)熔融沉積快速成型機(jī)的原理與結(jié)構(gòu)，通過正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，經(jīng)拉伸試驗(yàn)分析，探究熔融沉積工藝制作原型件的機(jī)械性能影響因素，找出最優(yōu)參數(shù)組合，該組參數(shù)可為后期3D打印模型提供理論參考。