【解析】环境温度对3D打印成型精度的影响

3D打印技术具有生产周期短、成本低的优势，目前3D打印的技术主要包括立体光固化成型（SLA）、选择性激光烧结成型（SLS）、熔融沉积成型（FDM）等工艺。从各种技术的工艺复杂程度、成本、加工效率综合来看FDM工艺是整体成本最低的，因而普及率也最高。成型精度是FDM工艺在工业应用中的关键问题，显著影响着打印过程能否顺利进行和制品精度，也是当今快速成型技术领域迫切需 要解决的问题之一。 接下来，南极熊以3D打印用丙烯腈－丁二烯－苯乙烯共 聚物（ABS）为成型材料，通过打印实验研究FDM工艺中环境温度对制品打印过程和制品成型精度的影响。

1 实验部分
1.1 原料
ABS丝：直径1.75mm，北京太尔时代科技有限公司。
1.2 设备及仪器
3D打印机：UPPLUS2，北京太尔时代科技有 限公司；可控温环境箱：自制；熔融指数仪：MP600，美国TiniusOlsen公司；注塑机：MA1200/370，宁波海天塑机有限公司；数显游标卡尺：SF2000，桂林广陆有限公司。

1.3 实验步骤
在实验中，将3D打印机放置于自制的环境箱内，环境箱具有可控温循环热风系统，通过温控仪来 控制环境箱内的打印环境温度。打印参数设置包括：层片厚度设定为0.2mm，喷嘴温度为260℃，挤出速度以及填充速度为默认设定。在不同的环境温度下打印60mm×60mm×2mm的方形样片，其中将环境温度分别设定为20、30、40、50、60、70℃，打印完成后，待打印机平台温度降低为20℃时，将小方片从平台上取下来，并定义打印过程中喷嘴移动方向（y轴）为平行方向，平台移动方向（x轴）为垂直方向。首先，测量样片打印完成时平行和垂直方向的尺寸，然后将样片在23℃恒温箱中放置24h，再次测量其平行和垂直方向的尺寸以及翘曲情况。

1.4测试及仪器
（1）熔体质量流动速率（MFＲ）测试 依据GB/T3682—2000测试原料的MFＲ值，测试温度为220℃，负荷为10kg。
（2）收缩率测试 依据标准GB/T17037.4—2003采用注射制样测试原料的收缩率，其中机筒温度220℃，注塑压力5MPa，保压压力5MPa。

注射试样经状态调制24h后，对其各向的收缩率进行测试，其中平行于熔体流动方向的模塑收缩率（Sp），以及垂直于熔体流动方向的模塑收缩率（Sn）分别按式（1）和（2）计算得出：

（3）成型制品翘曲度

图1 样片翘曲高度测量示意图

如图1所示，将在23℃恒温调制处理24h后的样片放置在平整的桌面上，并按照在打印机平台上的放置顺序从左上角逆时针顺序依次标记为A、B、C、D，然后将40g的砝码加载在A处，可以看到样片由 于发生翘曲，在C处明显翘起，接着将砝码加载在B处，同样会看到C处翘起，用游标卡尺测量C处的翘曲高度，按同样的操作测量打印环境温度分别为20、30、40、50、60、70℃下打印的样片的翘曲情况，研究环境温度对打印制品翘曲率的影响。 定义砝码加载A处时样片C处的翘曲高度用h1 表示，砝码加载B处时样片C处的翘曲高度用h2表示。

2 结果与讨论
2.1 原料性能研究
表1给出了ABS原料的MFＲ值以及根据公式 （1）、（2）计算得到的Sp和Sn值。可见，所用ABS打印材料由熔融态转变为固态后具有明显的尺寸收缩，原料较大的收缩率对制品的3D打印过程及最终制品的尺寸稳定性具有显著影响，因此需要开展3D打印工艺的研究，通过优化打印工艺降低或消除制品打印过程中普遍存在的翘曲和收缩过大的问题。 表1 ABS原料的MFＲ值和模塑收缩率

2.2打印工艺的研究
2.2.1 制品收缩率研究
在3D打印过程中，由于喷丝具有一定的宽度， 会造成填充轮廓路径时的实际轮廓线超出理想轮廓线一些区域。因此，在计算样片尺寸稳定性时需要在生成轮廓路径时对理想轮廓线进行补偿。补偿量应当是挤出丝宽度的一半。而实际工艺过程中挤出丝的形状、尺寸受到喷嘴孔直径、分层厚度、挤出速度、填充速度、喷嘴温度、环境箱温度及材料收缩率等诸多因素的影响。因此，挤出丝的宽度不是一个固定值，这里可以借鉴贾振元等的研究成果，确定补偿量如下：

通过测量得出：d=0.4mm，h=0.2mm，νE=25mm/s，νF=27mm/s。将以上数据代入到式（3）得W=0.6mm，所以补偿量为W的一半，即0.3mm。根据测试得到的方形样片的尺寸，可以求出各温度下的收缩率。 从图2中可看到，不论是刚取下时的样片还是调制24h后的样片，其平行方向和垂直方向收缩率均随环境温度的增大而增大，即环境温度越高，样片尺寸越小。而且，可以看到垂直方向的收缩率要比平行方向的收缩率大一些。此外，在同一个环境温度下打印完成时的样片收缩率要稍微低于调制24h后样片的收缩率，这是因为样片会在23℃恒温放置过程中慢慢变形收缩，所以尺寸会再略微变小。可见，在特定环境温度下打印时，要对原始模型的尺寸进行相应的修订，以满足制品尺寸稳定性的要求。

图2样片打印完成时及调制24h后环境温度对平行、垂直 方向收缩率的影响

2.2.2制品翘曲率研究

图3 环境温度对样片翘曲高度的影

图3所示为环境温度对样片翘曲高度的影响，由图中可见，随着打印环境温度的增加，当砝码加载在A点时，样片C点处的翘曲高度（h1）逐渐降低；而 当砝码压B处时，C处的翘曲高度（h2）随着打印环境温度的增加逐渐降低。另外，在同一环境温度下，h1明显大于h2，尤其在环境温度较低时这种差距较大，而这种高度差随着环境温度的增加有所减小，说明环境温度越高样片各点的翘曲高度越来越小，整体上来看样片会越来越平整。 分析认为，由于本次实验使用的是热塑性ABS塑料，打印成型过程中会发生两次相变过程，第一次是ABS由固态丝状受热熔化成熔融态，第二次是由熔融态经过喷嘴挤出后冷却凝固成固态。

ABS凝固过程中的体积收缩会产生内应力，内应力会导致样片翘曲的发生。而环境温度会影响到成型件样片的内应力的大小，打印环境温度升高，一方面制品中的大分子链热运动能量越高，另一方面由于体积膨胀，分子 间距离增加，大分子链活动空间增大，使得松弛过程 加快，导致制品内应力减小，相应地，产生的翘曲程度也就减小。但是，环境温度也不能过高，否则 零件表面会起皱 ，对于小截面的零件会产生“坍塌”与“拉丝”现象，即前一层的截面还处于软化状态时后一层就开始在其上堆积，前一层的截面还不足以承受后一层挤出丝的作用力，因而向下凹陷变形，同时挤出丝被喷头拉着走。另一方面，打印环境温度太低的话，从喷嘴挤出的丝骤冷使成型零件内应力增加，这很容易引起零件翘曲变形，影响打印过程 顺利进行，并导致层间粘接不牢固，零件有开裂的倾向 。可见，只有适宜的打印环境温度才能使成型制品的翘曲程度较小，表面质量较好，成型精度也会提高。

3结论
通过3D打印实验，研究了FDM工艺中环境温度对制品成型精度的影响。由本文实验研究结果可知，打印环境温度升高，制品的横向收缩率升高，纵向收缩率也升高，因此需模型设计补偿；同时随打印环境温度升高，制品的翘曲高度减小，成型精度得到改善。

编辑：南极熊
作者：屈晨光，张师军，高达利，邹 浩，刘建叶，董穆，郭家梁，邵静波，吕芸（中国石油化工股份有限公司北京化工研究院）

很棒的文章