3D打印精度影响因素及翘曲分析

李金华，张建李，姚芳萍，苏智超

（辽宁工业大学 机械工程学与自动化学院，锦州 121001）

0 引言

随着现代工业的不断发展，传统的加工工艺已无法满足许多异形或复杂结构的加工需求，随即国外又推出了一种新的快速成型方法：3DP（3D打印）。3D打印是目前快速成型领域中最受公众关注且最具生命力的技术之一，普通打印机只能实现X、Y方向的移动，而3D打印在其基础上增加了Z轴的纵向移动，并利用三维CAD数据模型，将材料逐层堆积成与模型形状一致的实体[1]，这就大大提高了制造复杂零件的能力，并缩短了新产品的研制周期，降低了研发成本。

3D打印所用的累积技术纷繁复杂，与之对应的打印材料也是多种多样。如光固化成型法（SLA）是以光敏树脂为原料；而选择性激光烧结（SLS）主要用于金属零件、金属磨具的直接生产；熔融沉积成型技术（FDM）则是通过加热的喷嘴将热塑性丝状材料挤出成型[2～4]。与前两种方法相比，熔融沉积成型不需激光，所用设备成本低，工艺简洁，可用材料种类多，以ABS、PLA等聚合物以及石蜡为主[5]，较为廉价且利用率高，是目前流行的桌面3D打印机采用的主流技术。

文中所述的3D打印制品均是基于Repetier-Host控制软件，以PLA为材料，通过图1所示3D打印机制成。它以步进电机为驱动，采用了齿形带（X、Y方向）、丝杠(Z方向)并配以圆柱直线导轨的传动方式，如图1（a）所示。挤出装置采用电机接挤丝轮的直接挤出方式，如图1（b）所示。这种机型结构简单，造价低，且易于安装维护。

图1 3D打印机主要结构

1 打印材料

3D打印机在制件时，材料是通过挤出装置进入挤出头加热，所以要求其具有较好的机械性能，具有一定的弯曲强度、压缩及拉伸强度[6]，从而保证材料的连续供给，避免发生断丝现象。

丝材在熔融沉积成型过程中，需要通过加热的喷嘴将其融化，喷涂到热床上并层层叠加，材料要经过固相、熔融态、冷却固化三个阶段，这就要求其具有良好的热稳定性，较低的收缩率和足够的粘结强度[7]。

目前常用的打印材料有ABS与PLA两种。ABS即丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物，它是非晶体，具有强度高、韧性好、熔点高、凝固快、流动性低的特点，是一种易于加工成型的热塑型高分子材料，应用较为广泛，但ABS在加热时会产生刺激性气味且收缩率较大，且成型精度不易控制。PLA是聚乳酸的简称，主要以玉米、木薯等为原料，具有可降解性，加热融化时气味小，成型时收缩率较低，打印大型零件模型时边角不易翘起，且熔点较低，所以在实验中选择PLA作为打印材料。

2 产品精度影响因素及翘曲分析

在3D打印过程中，影响产品精度的因素很多，如打印机本身的精度、材料的性能、打印过程中的工艺参数设定、制件翘曲等。

1）打印机精度及材料性能

打印机本身的制造和装配精度以及工作过程中的振动都会影响其打印精度，比如XY平面误差、X-Y轴与导轨垂直度误差及定位误差等。此外，打印机框架结构及所用材料刚度对其稳定性也有着很大影响。同时，不同的材料，其熔点、流动性、收缩率等各不相同，这些也都直接影响制品精度。

图2 层间剥离

2）工艺参数

（1）温度

打印温度包括挤出头加热温度和热床温度。挤出头加热温度主要影响材料的粘结堆积性能及丝材流动性。温度过低将使材料难以粘结到热床上或是发生如图2所示的层间剥离，同时易造成喷嘴堵塞；过高则会使材料挤出时偏于液态，而不是易于控制的丝状。热床温度直图2层间剥离接影响打印制品的热应力及其与底板的粘结力，过低会造成翘曲、脱落等现象。

（2）喷嘴直径与层厚

喷嘴直径决定挤出丝的宽度，进而影响成品精细程度。由于3D打印的材料是一层一层铺起来的，故层厚的设置同样也会影响制品的粗糙度。若选用大直径的喷嘴、层厚设置的厚，则打印耗时短，但成品较粗糙；反之，则耗时长，但得到的成品更精细。打印时需综合模型尺寸、用途来合理选用喷嘴设置层厚。图3（a）所示为当喷嘴直径为0.4mm时打印出的样件，图3（b）为选用0.2mm喷嘴直径所打印样件，后者表面“台阶”更窄，更光滑。

图3 不同直径喷嘴打印效果

（3）打印速度

3D打印是一个打印速度与挤出速度相互配合的过程，二者需要合理匹配才能达到打印要求。若打印远快于挤出，则材料填充不足，导致断丝；反之则会使熔丝堆积在挤出头上，导致材料分布不均。由于桌面打印机所用材料为丝材，故只需在程序中设置丝材直径与打印速度便可，不用设置挤出速度。打印速度对制件精度有着关键的影响，不能过快或者过慢，需对其进行详细的设置，如图4所示，包括轮廓的打印速度、实体的填充速度、支撑结构打印速度等，并且通常情况下要对第一层的设置一个较慢的速度以提高其成型质量，为接下来的打印提供一好的基础。

图4 3D打印机速度设置局部界面

（4）填充方式

不同的填充方式对应的打印速度、制品的收缩应力也不同。例如，直线填充速度较快，而蜂窝状填充产生的收缩应力较小。在以ABS作为材料时，选择蜂窝状填充可减少翘曲。图5（a）所示为直线填充的圆柱，每层均为互相垂直的线；图5（b）为蜂窝状填充，其上下两层为直线填充。

图5 填充方式

（5）冷却

3D打印是一个连续的过程，完成一层之后即打印下一层，而桌面3D打印机的制品尺寸都较小，因此在打印PLA等流动性较高的材料时会出现前一层尚未完全成型，后一层便开始在其上打印的情况，这无疑会损害制品精度。所以一般3D打印机都在挤出头边设有如图6所示的风扇，以加快固化过程。打印前应设置合适的转速，从而获得较好的成型效果。而有些材料，如ABS，本身流动性较低，因而不需要风扇进行冷却，否则会引起制件翘曲。

图6 3D打印机冷却风扇

3）支撑结构的设置及处理

制件有悬空结构时，为了不使其塌陷，在打印过程中，首先要在内部打出支撑结构，打印结束时再将支撑材料剥离。但这一过程极易对制件表面造成破坏，因此，在满足要求的前提下，支撑结构应设置的尽量少，且所在位置要易于剥离。如图7所示，需打印零件近似“V”形，左右两边有悬空结构，因此设置了蜂巢状支撑结构。

图7 蜂窝型支撑结构

图8 翘曲现象

4）翘曲分析

3D打印过程中，丝材经历了由固态到熔融再到冷却固化三个阶段。在这一过程中由于材料体积收缩而产生的内应力会造成原形的整体变形、翘曲甚至分层。一般室内使用桌面3D打印机制件的翘曲现象十分常见，如图8所示。

造成翘曲变形主要是由于在分层成型过程中，材料堆积不同步而引起各层间体积收缩不同，进而造成内应力不等而产生的[9]。若新的堆积层能够自由收缩，则不会产生内部应力，但实际上，由于新堆积层底面受到已完成部分的外力作用，不能完全收缩，便会不可避免的产生内应力。

桌面3D打印机的使用环境主要为室内，温度难以改变，主要通过适当调整热床温度和风扇转速来减少翘曲发生。

3 结论

综上所述，影响桌面3D打印机制品精度的因素很多，使用时要根据具体情况，结合经验，选择合适的喷嘴、填充方式、支撑结构，同时调节适宜的喷嘴尺寸、热床温度来提高制件的精度。制件翘曲主要是由温度差引起的，可通过合理调节风扇转速和热床温度有效改善翘曲。

[1]王位,陆亚林,杨卓如.三维快速成型打印机成型材料[J].铸造技术,2001,33(1)：103-106.

[2]李静.光固化快速成型技术的控制原理及应用[J].现代塑料加工应用,2002,14(4)：15-16.

[3]杨森,钟敏霖,张庆茂,刘文今.激光快速成型金属零件的新方法[J].激光技术,2001,25(4)：254-257.

[4]谭永生.FDM快速成型技术及其应用[J].航空制造技术,2000,2000(1)：26-28.

[5]潘东杰,黄列群,沈永华,薛存球,何芝梅,马益诚.快速成形—先进的现代制造技术[J].铸造技术,1999,1994(4)：37-39.

[6]李湘生,殷燕芳,刘小鹏.熔丝沉积的控制参数和材料选择[J].制造技术与机床,2000,2000(7)：28-30.

[7]汪洋,叶春生,黄树槐.熔融沉积成型材料的研究与应用进展[J].塑料工业,2005,33(11)：4-6.

[8]穆存远,李楠,宋祥波.熔融沉积成型台阶正误差及其降低措施[J].制造技术与机床,2010,2010(9)：93-93.

[9]陈葆娟,梁延德,何福本.熔融沉积快速成型的翘曲变形分析和解决方法[J].组合机床与自动化加工技术,2004,204(3)：106-107.