FDM制件的收缩现象分析及控制措施研究

主题：绿色■造－　Ｇｒｅｅｎ　Ｍａｎｕｔａｃｔｕｎｎｇ　。　ＦＤＭ制件的收缩现象分析及控制措施研究木　祝洲杰①沈建云②金济民①　（①浙江机电职业技术学院，浙江杭州３１００５３；②浙江省安全生产科学研究院，浙江杭州３１００１２）　摘要：从ＦＤＭ打印制件的收缩现象出发，分析了打印过程中影响制件尺寸收缩的主要因素，并依据这些　因素设计了实验。着重分析温度、层厚、线宽补偿和材料收缩对制件尺寸收缩的影响，最后根据实验　结果提出了控制制件收缩，获得理想尺寸的两种措施。实验证明都能有效地做出正确补偿。　关键词：熔融层积成型；收缩；工艺参数；精度；补偿　中图分类号：ＴＨ１６；ＴＰ１３　文献标识码：Ａ　ＤｏＩ：１０．１９２８７／ｊ．ｃｎｋｉ．１００５—２４０２．２０１６．１２．００３　Ｔｈｅ　ｓｈｒｉｎｋａｇｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ａｎｄ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｆ　ＦＤＭ　ｐｒｏｄｕｃｔｓ　ＺＨＵ　Ｚｈｏｕｊｉｅ①，ＳＨＥＮ　Ｊｉａｎｙｕｎ②，ＪＩＮ　Ｊｉｍｉｎ①　（（￣）Ｚｈｅｊｉａｎｇ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ＆Ｅｌｅｃｔｉｒｃａｌ　Ｅｎｇｅｅｒｉｎｇ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ　３１００５３，ＣＨＮ；　（￣）Ｚｈｅｊｉａｎｇ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｓａｆｅｔｙ　Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ　３１００１２，ＣＨＮ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｓｔａｒｔｓ　ｆｒｏｍ　ｔｈｅ　ｓｈｒｉｎｋａｇｅ　ｏｆ　ＦＤＭ　ｐｒｏｄｕｃｔｓ，ａｎａｌｙｚｅｓ　ｔｈｅ　ｍａｉｎ　ｆａｃｔｏｒｓ　ｔｈａｔ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｓ　ｔｈｅ　ｐｒｏｄ—　ｕｃｔｓ’ｓｉｚｅｓ，ａｎｄ　ｄｅｓｉｇｎｓ　ｓｏｍｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ　ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅｓｅ　ｆａｃｔｏｒｓ．Ａｌｌ　ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ　ａｒｅ　ｔｒｉｎｇ　ｔｏ　ａｎ—　ｌｙｚａｅ　ｔｈｅ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｆ　ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｔｏ　ＦＤＭ　ｐｒｏｄｕｃｔｓ，ｓｕｃｈ　ｌｉｋｅ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ，ｌａｙｅｒ　ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ，　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｌｉｎｅａｒ　ｗｉｄｔｈ　ａｎｄ　ｓｈｒｉｎｋａｇｅ　ｏｆ　ｍｅｔｅｒｉ１．Ｆｉａｎａｌｌｙ，ｔｗｏ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ｔｈａｔ　ｃａｎ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｔｈｅ　ｓｈｒｉｎｋ－　ａｇｅ　ａｎｄ　ｇｅｔ　ｔｈｅ　ｆｉｇｈｔ　ｓｉｚｅｓ　ａｒｅ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ，ａｎｄ　ａｌｌ　ｐｒｏｖｅｄ　ｂｙ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＦＤＭ；ｓｈｒｉｎｋａｇｅ；ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ；ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ；ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ　随着３Ｄ打印技术的不断成熟，由于其作为典型　的“增材制造”具有解决传统制造手段难以处理的问　题和制造过程便利灵活的优点，在工业的各个领域都　展现出了非常大的潜力。目前市场化程度较高的３Ｄ　打印成型技术有ＦＤＭ（ｆｕｓｅｄ　ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｍｏｓｅｌｉｎｇ）熔融　打印的应用和推广，而其中尺寸精度的影响最大，尤其　是在配合尺寸较多、要求较高的产品中，ＦＤＭ打印件　的尺寸偏差有着重大的影响。　由此可见，控制好尺寸精度对于ＦＤＭ打印件的应　用是至关重要的。笔者实验室通过实际打印发现，　层积成型、ｓＬＡ（ｓｔｅｒｅｏｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ）光固化立体印刷、　ＳＬＳ（ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ　ｌａｓｅｒ　ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ）选择性激光烧结、３ＤＰ　ＦＤＭ打印件的成型尺寸相比于理论尺寸都会有不同　程度的减小，即收缩现象。控制好收缩现象，尺寸精度　得到较好控制的打印件可以发挥更多的作用。本文尝　试以典型热塑材料ＰＬＡ打印制品为研究对象，通过实　验探究影响制件收缩现象的主要因素，并致力于提出　控制制件收缩、提高尺寸精度的有效措施。　（ｔｈｒｅｅ　ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ　ｐｒｉｎｔｉｎｇ）三维打印成型等…。其中　ＦＤＭ成型法本质上是利用高温将材料融化成半流动　液态型，根据分层数据控制打印喷头挤出后固化，堆叠　形成打印产品　Ｊ。由于控制算法简便，结构简单，成　本低廉，目前是桌面级和低成本打印的最佳方法。　就设计角度而言，ＦＤＭ打印几乎可以成型任意复　杂程度的零件，但与传统加工制造方法相比，ＦＤＭ存　在如下缺陷：（１）只能选择特定的热塑性材料进行打　１　影响收缩现象的主要因素分析　ＦＤＭ成型法需先将材料加热至熔点后冷却（如　ＰＬＡ材料需先加热至１９０～２３０￣Ｃ进行打印），整个过　程发生两次相变过程，存在较大的温度差，自然会存在　印，如ＡＢＳ、ＰＣ、ＰＬＡ等；（２）打印精度较低，小件或精　细件尺寸等细节较差；（３）成型速度相对较慢，不利于　材料收缩的现象；再综合考虑打印材料的线径精度、切　打印大型零件或批量生产。上述的缺点制约了ＦＤＭ　｝浙江省自然科学基金项目（ＬＹＩ５Ｅ０５０００Ｉ）　片参数（如打印层高、热床温度）等多项因素的影响，　ＦＤＭ打印出现尺寸收缩现象是不可避免的。　一半作为线宽补偿。　（４）出丝倍率。为挤出速度与打印速度的比值。　尽管ＦＤＭ制件的尺寸收缩问题影响因素众多，但　主要还是受控于少数几个重要的工艺参数，即成型温　度、层厚、线宽补偿、出丝倍率和热塑丝材本身的线径　误差及收缩率　。　挤出速度和打印速度都对表面质量有直接的影响，而　丝倍率直接影响打印时的实际线宽，线宽值随出丝倍率　的增大而增大，因此对打印制件的尺寸影响很大。出丝　（１）成型温度。包含打印喷头温度和工作环境温　度。打印喷头温度（ｅｘｔｒｕｓｉｏｎ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）直接决定了　材料粘结性能、堆积性能和丝材流动性，过高或过低的　倍率太大或太小都会影响正常出丝和打印，因此挤出速　度和打印速度应合理匹配，在保证流畅出丝的同时，避　免实际线宽与喷头直径偏离过大，造成尺寸误差过大。　（５）线径误差及收缩率。厂商提供的丝材线径存　喷头温度都会造成表面质量差或碰头堵塞等打印问　题。由于目前ＰＬＡ丝材生产并无统一标准，厂家给出　在误差及材料本身的收缩率也是影响制件尺寸的不可　忽视的因素。由于行业没有完全统一的标准，目前国　内基本遵循的标准是线径公差±０．０５　ｍｍ，材料本身　的ＰＬＡ丝材的主要性能参数范围较大：密度１．２０～　１．３０　ｋｇ／Ｌ，软化温度６０～７０℃，熔点１５５—１８５　ｏＣ，适　合打印温度１９０～２３０　ｏＣ。　的收缩率控制在０．２％一０．３％之间，数值超出范阿会　直接影响精度。　根据ＦＤＭ成型设备的设计不同，工作环境温度分　为两种：具有封闭的成型室的设备，其环境温度通过控　制成型室的温度（ｅｎｖｅｌｏｐｅ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）实现；不具备　封闭成型室的开放型设备，其环境温度主要受控于热　床的温度（ｈｅａｔｅｄ　ｂｅｄ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）。将环境温度控制　在合理的值有助于在成型时避免温度过低造成的翘曲　变形和温度过高造成的表面起皱。　根据实验室实际比较，大多ＰＬ　丝材的熔点在　２实验设计与结果分析　综合上述分析，由于影响因素众多，为避免ｆ扰项　太多，笔者决定在实验中采用部分参数引入确定最优　值，部分重要参数分区间对比的方法。　实验原料采用创想三维品牌的线径为　１．７５　ｎｌＩｎ　的ＰＬＡ丝材，经实测其线径公差和收缩率符合标准；　实验选用的３Ｄ打印机不带封闭成型室，采用热床控　１７５～１８０℃，打印温度区间在２００～２１０℃出丝效果　最优，环境温度在２０～５０℃之间着床效果良好，无翘　边。合适的温度范围区域总结如图１所示。　制工作环境温度。打印喷头孑Ｌ径　．３５　ｍｍ。　为了减少收缩实验的干扰项，事先安排了打印温度　双塔实验，测试出实验原料的最佳打印温度。双塔模型　如图２所示，实验依据常见ＰＬＡ的最佳打印温度范围２００　～２１０℃，将模型的每一塔层打印温度依次设置为２００、　２０２、２０４、２０６、２０８、２１０　ｏＣ。根据如图３所示的打印效果显　赠　挥　鸶　示，最低塔层即２００℃时该ＰＬＡ丝材的成型表面质量和　搭桥效果最佳，因此确定打印温度设定为２００　ｑＣ。　ｌ９０　２３０　打印头温度／℃　图１打印头和环境合适温度范圈区域　（２）层厚。将三维数据模型进行切片时每一层截　面选取的厚度，选取的原则与打印质量和效率有关，层　厚越小，分层越不明显，表面效果越好，但层数增多导致　成型时间变长影响效率。为了兼顾打印质量和效率，厂　家推荐较为平衡的层厚值选取为喷嘴直径的一半左右。　（３）线宽补偿。由于喷丝具有一定的宽度，造成　实际的填充轮廓线超出理论轮廓线一部分区域，需要　加入一定的补偿量。喷丝的挤出成型过程较为复杂，　情况众多，因而目前较为粗略的做法是取丝宽直径的　图２双塔三维模型　由于最理想的出丝倍率调定原则是使实际线宽值等　于喷头直径，但过低的出丝倍率会导致出丝不畅，笔者将　出丝倍率调定为０．８。经实测，实际线宽接近喷头直径。　基于目前制件上最常用的几何元素是方形（或矩　形）和圆形，笔者设计了方廓圆孔的试件（图４），以期　归纳外廓和孔两种状况收缩现象的规律。　　‘图４试件模型　图３双｜瞢：实际打印效果　在实验中，将３Ｄ打印机调至设定的打印温度，打　印速度及挤出速度选择标准值，使用热床将环境温度　分别设定为２０（室温，关闭热床）、３０、４０　ｏＣ三种情况，　层厚根据喷嘴直径设定为０．Ｉ　ｍｍ和０．２　ｍｍ两种情　况，打印完成后，分别测量试件的尺寸数据进行对比。　打印后的试件效果如图５，实验测量数据见表ｌ。观察　本组实验测量数据可以看出，在未考虑线宽补偿的情　况下，试件的尺寸收缩呈现出以下几个特征：　图５试件打印效果　（１）外廓尺寸中长和宽、两个内孔尺寸（成型过程　中都为单层的　和ｙ方向控制实现）的值都基本呈现　出环境温度越高收缩越少，层厚设定越小收缩越少的　趋势。总的来说，热床的使用和层厚选择较小值可以　获得表面质量更好、尺寸收缩控制更好的制件。　（２）小孔相比于大孔呈现出更大的尺寸收缩，表　明内孔尺寸的收缩规律更为复杂。　（３）考虑测量存在的误差，外廓尺寸中的高尺寸　（成型堆叠的ｚ方向）的值几乎不受实验条件变化的　影响，表明在打印前调定喷嘴和底板距离达到最佳值　这一前提条件下，Ｚ方向的尺寸收缩影响很小。　由于未考虑线宽补偿的情况下试件尺寸收缩明显　偏大，笔者进行了第二次实验，为了简化实验，环境温　度选择设定为２０℃和３５℃，层厚选择０．２ｍｍ，另外在　表１试件尺寸测量数据　＼理论值　　＼　５０　ｍｉｎ＇　４９．０２　４９．０７　４９．０９　３０　ｍｍ　２９．５３　２９．５６　２９．５８　１０　ｍｍ　ｌ０．０２　ｌ０．０２　ｌ０．Ｏｌ　，２０　ｍｍ　１９．７２　ｌ９．７４　ｌ９．７４　，ｈｉ０　ｒｆｌｎｌ　９．７６　９．７８　９，８０　实验条件＼测量／ｍｍ　收缩／（％）　测量／ｍｍ　收缩／（％）　测量／ｍｉｌｌ　收缩／（％）　测量／ｍｍ　收缩／（％）　测量／ｍｍ　收缩／（％）　—１．９６　一１．８６　—１．８２　２０℃．０．２　ｍｎｌ　３０ｏＣ，０．２　ｍｍ　４０ｏＣ，０．２　ｍｍ　—１．５７　一１．４７　—１．４　Ｏ．２　Ｏ．２　Ｏ．１　—１．４　—１．３　—１．３　—２．４　—２．２　—２　２Ｏ℃．０．１　ｍｍ　３０℃．０．１　ｍｍ　４０℃．０．１　ｍｍ　４９．０４　４９．０８　４９．１２　一１．９２　—１．８４　—１．７６　２９．５４　２９．５６　２９．６０　—１．５３　一ｌ。４７　一１．３３　ｌＯ．０２　ｌ０．Ｏ２　１０．０２　０．２　Ｏ．２　０．２　ｌ９．７２　１９．７４　１９．７４　一１．４　—１．３　一１．３　９．７８　９．７８　９．７９　—２．２　—２．２　—２．１　表２试件尺寸测量数据　—、＼　理论值　实验条件、—＼　２Ｏ℃，０．２　ｍｍ，Ｉ．Ｏｌ　２Ｏ℃，０．２　ｍｉｌｌ，１．０２　３５℃，０．２　ｍｍ，１．０ｌ　５０　ｍｍ　３０　ｍｍ　测量／ｍｍ　２９．８１　３０　２９．８４　击２０　ｍｍ　测量／ｍｍ　收缩／（％）　ｌ９．７８　１９．８５　ｌ９．７８　击ｌ０　ｍｒｌｆ　测量／ｍｍ　９．７９　９．８４　９．８０　、、测量～　／ｍｍ　收缩／（％）　一１．０４　—０．１２　一０．９８　收缩／（％）　一Ｏ．６３　０　—０．５３　收缩／（％）　—２．１　—１．６　—２　４９．４８　４９．９４　４９．５ｌ　一１．１　—０．７５　一１．１　３５℃，０．２　ｍｍ，Ｉ．０２　４９．９７　一Ｏ．Ｏ６　２９．９８　—０．０６７　１９．８７　—０。６５　９．８６　—１．４　　：’　ＩＯ　Ｉ等　　Ｕ　ｊｉｍ原试件尺寸（Ｘ和ｙ方向）加入比例系数，设定为　１．０１、１．０２，打印完成后，分别测量试件的尺寸数据进　行对比。实验测量数据见表２。　从各参数组合得出的实验测量数据来看，试件的　０．３，则根据式（１）～（４）可得Ａ＝０．７７　ｍｍ，Ｂ＝０．３６　ｍｍ，　＝＝０．４２　ｍｍ，Ｗ宴：０．３８　ｍｍ；以试件外轮廓５０　ｍｍ和３０　ｍｍ作为验证对象，根据式（５）可得△￡宝　１．３５　ｍｍ，ＡＬ窭ｆ３０）＝０．８Ｉ　ｍｍ；则根据式（６）可得　Ｃ（５０）＝０．９７　ｍｍ，Ｃ（３０）＝０．４３　ｍｍ。联系前文的实际测　试数据进行对比，４９．Ｏ２＋０．９７：４９．９９　ｍｍ，２９．５３＋　外廓尺寸在使用１．０２的比例系数后都非常接近理论　值，可以达到尺寸精度的要求。而内孔则相对比较复　杂，／Ｉ，：ｆＬ相较于大孔的收缩量更大，在出丝倍率为０．８　的情况下孔径的收缩值仍在０．１５～０．２　ｍｍ的区间。　０．４３＝２９．９６　ｍｍ，理论计算和实际打印结果是比较吻　合的。但值得注意的是，两个内孔尺寸在验证时存在　实际值比理论值略偏小的情况，原因是出丝倍率调定　值仍太大，其与出丝顺畅度之间的矛盾是目前较难解　决的一个问题。　显然，加入比例系数或直接根据经验增加线宽补偿可　以明显抵消制件的收缩影响，而内孔尺寸则需要在此　基础上再额外增加补偿。　３控制收缩的有效措施　南上述的实验结果可以初步归纳得出，合理的补　偿是控制收缩的最有效因素。经笔者实验室实际测　试，使用不同ＰＬＡ丝材的具体表现加入１％～２％的比　上述计算法提供了较为精确的补偿依据，实际打　印制件时可以将重要尺寸按公式计算补偿量，以获得　较为精准的尺寸。　４　结语　借助ＦＤＭ打印成型技术，可以有效缩短复杂零件　的制造周期，减少研发成本，对于企业研发和制造的助　例系数即可使外廓尺寸与理论尺寸较为吻合，而内孔　尺寸则跟出丝倍率这一参数有很大关联，在取值为０．８　的情况下，额外加上０．１５～０．２　ｍｍ的补偿即可基本　吻合理论值。出丝倍率值越大，则需要额外加上的补　偿值越大。　力是显而易见的。但从使用角度而言，ＦＤＭ打印制件　在尺寸控制的稳定性方面存在相当大的难度。除打印　温度、层厚等因素的影响外，线宽补偿和材料收缩的综　合匹配是控制制件尺寸收缩的关键。　通过文中所述的两种方式进行合理补偿可以控　由于目前ＦＤＭ丝材的生产未有统一的规范，各厂　家使用的配方存在略微差异，材料本身的收缩表现不　确定，很难对制件的理论尺寸作出精确的补偿　Ｊ。对　于制件尺寸精度要求不太高的场合而言，可用上述方　法设置参数，即可获得尺寸较为精准的制件。　制制件的收缩问题，获得较为精确的尺寸。然而，上　述讨论的控制措施受太多因素的干扰，即使设定了　精确的补偿值，也只是获得高精度尺寸制件的前提　条件。从根本上说，希冀于ＦＤＭ热塑性材料本身的　性能改进，如收缩率更小、线膨胀系数更小，材料的　稳定性更好，ＦＤＭ制件的尺寸控制才能获得根本性　的解决。　而对于尺寸精度要求较高的场合，这样根据经验　加入补偿量的方法显然不够严谨。根据贾振元等的研　究成果，为获得高尺寸精度的打印制件，必须综合考虑　理想轮廓线和材料收缩性的补偿　Ｊ，尺寸的补偿量计　算公式如下：　Ａ＝，ｒｒｄ　１２ｈ×（　Ｅ／　Ｆ）　（１）　参机械工业出版社，２０１４．　考文献　［１］Ｂｒｉａｎ　Ｅｖａｎｓ．解析３Ｄ打印机：３Ｄ打印机的科学与艺术［Ｍ］．北京：　［２］刘伟军．快速成型技术及其应用［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２００６．　［３］邬宗鹏．ＦＤＭ工艺参数对成型制品表面粗糙度影响的研究［Ｊ］．机　械工程师，２０１５（２）：ｌ７７—１７８．　Ｂ＝（Ａ　一ｈ　）／２Ａ　Ｗ坪＝Ｂ＋ｈｚ／（２Ｂ）　＝　坪（１—８Ａｔ）　ＡＬ窿＝　理＝／￣Ｌ６Ａｔ　Ｃ＝Ｉ　实一△Ｌ实Ｉ　（２）　（３）　（４）　（５）　（６）　［４］邹国林，郭东明，贾振元，等．熔融沉积制造丁艺参数的优化［Ｊ］．大　连理工大学学报，２ｏｏ２（４）：６６—７０．　式中：　为挤出速度；　为打印速度；ｄ为喷嘴直径；ｈ　为层厚；Ｗ瑚为理论丝宽；Ｗ寞为实际丝宽；６为线膨胀　［５］贾振元，邹国林，郭东明．等．ＦＤＭ工艺出丝模型及补偿方法的研究　［Ｊ］．中国机械工程，２００２，１３（２３）：２３—２６．　第一作者：祝洲杰，男．１９８４年生，硕士，工程师，　主要从事机械设计、先进制造及数控工艺等方面的研　究工作，已发表论文６篇。　（编辑　高　扬）　（收稿日期：２０１６—０８—０９）　文章编号：１６１２１ｌ　如果像想发表对本文的看法。请将文章编号填入读者意见调查裹中的相应位置。　系数；Ａｔ为丝材温度差；卢为收缩系数；ＡＬ挪为理论收　缩量；ＡＬ吨：为实际收缩量；Ｃ为补偿量。　已知ｄ＝０．３５　ｍｍ，ｈ取０．２　ｍｍ，　Ｆ＝６０　ｍｍ／ｓ，　Ｆ　＝４８　ｍｍ／ｓ，ＰＬＡ的线膨胀系数６取５×１０　ｍｍ／℃，　△ｆ取１８０℃（从２０　ｃ【＝加热至２００　ｏＣ），口根据实验取