3D打印零件的尺寸精度及控制.pdf
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1、第 37 卷 第 8 期2023 年 8 月中国塑料CHINA PLASTICSVol.37,No.8Aug.,20233D打印零件的尺寸精度及控制高海亮,胡程,周宇强,刘欣,程建明*,宋桂珍*(太原理工大学机械与运载工程学院,太原 030000)摘要:在大型零件的成形过程中,零件底部翘曲变形导致精度丧失是熔融沉积增材制造技术的一个突出问题。以熔融沉积成型(FDM)3D打印制件的底部翘曲变形为研究对象,建立了一种FDM翘曲变形的数学模型,通过标准正交试验设计研究喷嘴温度、分层厚度、托板温度、填充密度和堆积层数及断面长度对FDM 3D打印翘曲变形的影响,应用极差分析和方差分析得到了最优的工艺参数
2、组合。研究结果表明,分层高度为0.2 mm,喷嘴温度为210,托板温度为55,填充率为40%,底层堆积层数为25层,断面长度为20 mm,此时翘曲变形量最小,为0.402 mm。对翘曲变形影响程度主次顺序为:分层厚度堆积层数喷嘴温度断面长度填充密度托板温度。随着堆积层数的增加和断面长度的减小,翘曲变形量呈减小趋势。关键词:3D打印;熔融沉积成型;翘曲变形;参数优化中图分类号:TQ320.66 文献标识码:B 文章编号:10019278(2023)08007907DOI:10.19491/j.issn.10019278.2023.08.011Dimensional accuracy and co
3、ntrol of 3D printed partsGAO Hailiang,HU Cheng,ZHOU Yuqiang,LIU Xin,CHENG Jianming*,SONG Guizhen*(School of Mechanical and Vehicle Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030000,China)Abstract:In the forming process of largesized parts,the precision loss caused by the warping deformatio
4、n at the bottom of the part is a prominent problem in the melt deposition additive manufacturing technology.Taking the bottom warping deformation of melt deposition molding(FDM)3D printed parts as a research object,an orthogonal experiment was designed to study the effects of nozzle temperature,laye
5、r thickness,bracket temperature,filling density,the number of layers,and section length on the warping deformation of FDM 3D printing.The optimal combination of process parameters was obtained through range analysis and variance analysis.The results indicated that the warpage deformation obtained a
6、minimum value of 0.402 mm at a layer height of 0.2 mm,a nozzle temperature of 210,a bracket temperature of 55,a filling rate of 40%,a number of bottom layers of 25,and a section length of 20 mm.The factors of influence on the warpage deformation was by a order of layer thickness number of layers noz
7、zle temperature section length filling density bracket temperature.The warping deformation decreased with an increase in the number of layers but a decrease in the section length.Key words:3D printing;melt deposition forming;warping deformation;parameter optimization0 前言 熔融沉积建模是目前使用最广泛的3D打印成型工艺,其关键优
8、势是能够生产形状和几何模型非常复杂的一体化零件,并在航空航天、生物医学等方面广泛应用13。FDM是将热塑性聚合物丝材在喷嘴内加热融化,喷头沿零件截面轮廓和填充轨迹运动,同时挤压沉积到运动的工作台上,利用高温自黏结性逐层堆积成型4。丝材在熔融堆积过程中,由于体积收缩产生的内应力会引起原型底部的翘曲变形或在原型内部引起分层,严重影响了制件的尺寸精度,是当今快速成型技术领域迫切需要解决的问题之一5。国内外很多学者对翘曲变形进行了研究,Panda等6基于线宽补偿、打印速度、填充速度和层厚4个变量来明确量化FDM原型的翘曲变形和尺寸误差,表明层厚和打印速度对翘曲变形有影响,填充速度和线宽补偿对尺寸误差影
9、响较大。Syrlybayev等7利用ANSYS建立了3D打印过程收稿日期:20230407第一作者:高海亮(1996),男,在读硕士研究生,从事机械优化设计研究, 通信作者:程建明(1964),男,高级工程师,从事机电一体化技术,机械优化设计研究, 通信作者:宋桂珍(1964),女,副教授,从事特种加工技术,结构优化设计研究,gzh_中国塑料的热力学有限元模型,通过模拟和试验表明翘曲随层厚的增加而减小。王天明等8定量分析了堆积层数、环境温度和ABS材料的线收缩率对原型翘曲变形的影响。张捷等9分析了FDM翘曲变形过程,建立了翘曲变形的数学模型,指出提高打印环境温度、减小层厚和提高打印速度可以有效
10、改善制件的翘曲变形。杜林芳10针对FDM工艺过程中的翘曲变形缺陷,提出分层厚度、打印温度对翘曲变形有较大影响,托板温度和产品壁厚次之,通过对FDM的成型工艺优化,使打印精度提高了 44.4%。然而,如前所述许多学者对 FDM制件的翘曲变形进行了不同角度的研究,但目前研究结果不尽一致,且对于如何选择聚乳酸(PLA)材料FDM成型参数,减小成型过程中的翘曲变形量未见有系统研究的报道。本文以目前使用最广泛的PLA为打印材料,通过建立翘曲变形的数学模型分析影响零件底部翘曲的影响因素,并基于L25(56)正交试验,研究了FDM过程中分层厚度、喷嘴温度、托板温度和填充率及层数和断面长度对零件底部翘曲变形的
11、影响,最后对结果进行了极差分析、方差分析和单因素指标分析,确定了每个指标最佳的3D打印参数,为FDM制件的质量工艺控制提供了理论依据和应用指导。1 FDM理论分析模型 丝材在熔融堆积成型的过程中,会经历固体熔融体固体三相的变化,聚合物丝材温度会快速加热和冷却,导致内应力不均匀变化,从而引起零件翘曲变形,故打印层间的应力应变是导致翘曲变形的根本原因。1.1 模型基本假设对FDM成型过程中内应力的产生和翘曲变形进行数学分析,需做一些合理的假设。基本假设如下:(1)半熔融态丝材从熔融温度(Tm,)冷却到玻璃化转变温度(Tg,)的过程中,热塑性丝材受到较小的外力就会发生较大的变形,抵抗外力的能力很小,
12、因此在这一过程中并没有内应力聚集,内应力主要在玻璃化温度到成型室温度(Te)的过程中产生,如图1所示。(2)将每个成型层看作是均质层,且认为成型层内的丝材是瞬间堆积成型;假设每个堆积层面是由断面为方形的半熔融丝材按“之”字形堆积成的,各层紧密无孔隙,无相对位移。(3)高温挤出的丝材瞬时就冷却到玻璃化温度以下,且成型部分温度、托板温度与环境温度一致。1.2 翘曲变形数学模型如假设(1),由于新沉积层不完全收缩产生的内应力发生在Tg冷却到Te的过程中,在此过程中内应力由3 部分组成:新堆积层自由收缩产生的层间应力(1,mm),已成型部分翘曲变形产生的弯曲应力(2,mm);施加在已成型部分的应力(3
13、,mm),见式(1)(2):1=-ET(1)式中 丝材线膨胀系数,1 mm/E热变形阶段的弹性模量,MPa T热变形温差,2=E()Z-DR(2)式中 R翘曲变形的翘曲半径,mm D弯曲变形中性层到挤出嘴的距离,mm总内应力(,mm)=1+2+3;即得式(3):=-ET+E()Z-DR+3T=0 0ZsTg-Te sZh(3)式中 T阶跃函数 s已成型高度,mm Z变形的中性层到挤出口距离,mm h原型高度,mm根据成型后的零件内应力和为零,且内应力对成型原点的合力矩也为零,积分见式(4)(5):0h-ET+E()Z-DR+3 dZ=0(4)0h-ET+E()Z-DR+3 ZdZ=0(5)方程
14、中包含了R、D、3 3个未知参数,通过参数合并将未知数合并为 2 个。令*=3-ED/R,则式(4)(5)可简化为式(6)(7):0h-ET+EZR+*dZ=0(6)0h-ET+EZR+*ZdZ=0(7)积分区间分为2部分,当0Zs时,T=0;当图1丝材沉积成型原理Fig.1Principle of silk deposition forming 803D打印零件的尺寸精度及控制2023 年 8 月sZh时,T=Tg-Te;联 立 上 述 方 程 组 得到式(8):K=1R=6Ths()h-sh2(8)此为新堆积层为1层时的变形率,对于熔融沉积成型,h和s之差就是堆积层厚h。当层数为n的堆积层
15、有 s/h=(n-1)/n,令h=h-s,则 上 式 可 简 化为式(9):R=n3h6T()n-1(9)又有翘曲变形率(K)=1/R,故K=6T(n-1)/n3h。此外,翘曲半径、最大翘曲变形量与原型的断面长度相关,如图2所示。根据图2可知零件的最大翘曲变形量(,mm)与零件的翘曲半径(R,mm)和线性长度(L,mm)几何关系为Rsin=L/2,cos=R-/R,化简得到式(10):=1-cos L2R(10)根据余弦函数的泰勒展开式得式(11):cos L2R=1-12(L2R)2+14!(L2R)4+(11)当L2R时,高次项可以忽略;联立式(10)、(11)得为式(12):=L28R=
16、6TL2()n-18n3h(12)通过上述分析发现影响零件翘曲变形的因素主要有加工材料和工艺两方面的因素。具体为材料的线性收缩率、堆积断面长度、Tg等参数,以及工艺方面的堆积层数、Te以及堆积层层厚等。2 试验验证与结果分析 上一节通过建立FDM翘曲变形的数学模型分析了影响PLA制件翘曲变形的因素,由于上述分析模型为理想化模型与实际成型中还存在一定的差别。故有必要通过实验验证翘曲变形数学模型的可行性且进一步探究实际成型过程中FDM的最优参数组合。2.1 试验设备及材料本次试验采用的是东莞宏盛达三维科技有限公司生产的“兰度”牌专用 3D 打印耗材 PLA,材料熔点为190220,直径为 1.75
17、 mm,Tg为 58,其密度为1 290 kg/m3。实验使用的打印设备是深圳市大昆三维科技有限公司的D160MAX 3D打印机,如图3所示,喷嘴直径为0.4 mm,打印精度在0.050.2 mm之间。2.2 实验样件制备与正交实验设计利用solidworks软件设计打印零件如图4所示,其中总长为150 mm,长度为115 mm,边缘宽度为20 mm,中部平行段宽度为 10 mm,圆角为 70 mm,厚度为10 mm。根据式(12),影响翘曲变形的参数主要有分层高度(A),喷嘴温度(B),热床温度(C),和填充率(D),堆积层数(E)和断面长度(F),因此将其作为正交试验的水平因素其中线填充率
18、是考察因素。根据前期调研的结果确定参数的合理取值范围,并制作如表1所示的正交试验因素水平表。为了在后续的函数拟合中得到更精确的拟合曲线,水平数选为5,采用L25(56)的标准正交试验确定最佳工艺参数组合。本次试验根据上表给出的实验条件打印样件模型。打印结束后,所有样件都在室温中静置5 h,待其自然冷却到稳定状态后,采用精度为0.02 mm的游标图2最大翘曲变形量与翘曲半径的关系Fig.2The relationship between maximum warpage deformation and warp radius图33D打印机Fig.33D printer图4打印模型形状和尺寸Fig.
19、4Shapes and dimensions of the print model 81中国塑料卡尺分别测量零件4个角点和每条边线的中点处的最大翘曲变形量。测定方法是将样件置于水平平台上,测量从表面到底面的最大厚度,然后减去塑件的基本厚度即为翘曲量。为保证测量的准确性,每个点测量3次,对3次的测量值取平均值,取测量的最大值作为分析的平均值,为保证准确性,最后一位小数为估计值。2.3 结果与讨论由正交实验结果可知,翘曲变形量最小值为0.402 mm。因此在所进行的25组实验中,参数最优组合为A3B3C5D2E4F1,即分层高度为0.2 mm,喷嘴温度为210,托板温度为55,填充率为40%,堆积
20、层数为25,断面长度为20 mm。由于正交实验只是做了全面实验的部分实验,在确定上述实验的最优组合中并没有考虑剩余实验的结果,所以需要对实验数据进行理论分析,并确定上述最优组合是否就是试验的最优组合。2.3.1 极差分析极差值描述了各因素对零件翘曲变形量的大小,因素的极差值越大,表示在测量范围内该因素对测量指标的影响值越大。对试验数据进行极差分析,结果见表2。表中ki表示某一因素在i(i=1,2,3)水平时的翘曲变形量算数平均值,可以判断因素的最优水平和各不同因素在i水平的最优组合。由表2的分析结果可知,在试验取值范围内可以确定各因素水平对指标影响的主次顺序,对翘曲变形的影响程度从大到小依次为
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