FDM工艺参数对3D打印质量的影响

作     者：陈毅非 

作者单位：郑州大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李海梅

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：聚乳酸 熔融沉积成型 3D打印 工艺参数 打印质量 

摘      要：3D打印技术,又称增材制造,具有高度定制和快速成型的特点,在航空航天、机械工程、医学和艺术等领域得到广泛的应用,但由于部分3D打印技术成型尺寸精度和表面质量相对于传统加工成型方式尚有不足,且成型质量缺乏标准化评价,一定程度限制了3D打印的推广应用。本文以聚乳酸(Poly(lactic acid),PLA)线材的熔融沉积(Fused deposition modeling,FDM)3D打印的成型质量为研究对象,考虑了材料-工艺-结构-性能之间的关系,研究了3D打印过程中线材受热熔融、高度层间堆积、平面邻间接触的截面/界面变化及其量化方法,并根据实验测量和量化分析结果,建立了工艺参数(喷嘴温度,挤出速率,喷嘴到成型面或平台距离或层高,喷嘴运动速度/打印速度、路径等)与制品打印质量,如表面粗糙度、形状精度、力学性能的关系。本文主要研究内容与结论如下。(1)工艺参数对单根线材打印直径的影响。FDM型3D打印聚乳酸线材,经喷嘴加热后,转变为黏流、高弹态,线材界面在喷嘴附近经空气冷却后,与打印平台接触,界面形状与尺寸受到工艺参数的影响产生变化。通过悬空打印实验和数值模拟方法,研究了线材从喷嘴挤出后的直径(d)与工艺参数的关系,类比挤出工艺完成了线材经喷嘴的挤出胀大比B(B=d/D)计算;通过牵引模仿线材从喷嘴挤出后拉伸得到的直径d,研究线材接触平台后的沉积宽度d,建立了d、d相应的估算公式。研究发现:(1)线材经喷嘴挤出后直径变大,挤出胀大比B随着喷嘴温度的升高而降低,随着喷嘴挤出速度的增大而增大;PLA挤出线材胀大比与挤出速度有量化关系;(2)线材随喷嘴运动而拉伸,拉伸收缩率随着打印速度的增大而增大;(3)单根线材沉积宽度d,即3D打印路径的实际宽度预测准确,通过工艺参数调整,可使成型尺寸误差减少73.9%。(2)工艺参数对打印线材堆积层间(垂直z方向相邻线材)和水平邻间(水平面相邻线材)熔接性能的影响。利用扫描电子显微镜、光学显微镜观测和力学性能测试,研究喷嘴温度、打印层高、路径间距、出丝率(挤出速率与运动速率之比)对相邻线材间界面/截面形状、结合性能的影响。为便于量化分析,定义了层间熔接比表示打印过程中相邻线材间的熔接效果。研究发现:(1)增加喷嘴温度和出丝率,减少打印层高,层间熔接性能提高,层间熔接比增大;(2)扫描电镜结果显示线材层间熔接不充分,会在层间形成空隙;增加喷嘴温度、减少层高可改变空隙面积,从而减少空隙尺寸,提高层间和邻间性能;(3)拉伸实验表明,3D打印试样在沿拉伸轴向打印具有最高的抗拉强度,减小层高和路径间距能分别提高其层间和邻间的力学性能。(3)在单根线材、相邻线材研究的基础上,考察了打印路径(制品结构)对打印质量的影响。设计了不同倾斜角度、不同截面形状的产品,研究路径规划、打印工艺参数对成型精度和表面粗糙度的影响。研究发现:(1)在打印倾斜结构的制品时各层存在路径偏移,会产生打印形状误差(台阶效应)及打印层间翘曲,随着路径偏移的提高,制品的尺寸精度和表面质量都呈下降趋势;(2)根据试样表面质量的正交实验分析结果,发现:打印层高对带有倾斜结构的制品的打印质量影响最大,减小层高可明显提高成型质量;打印温度和出丝率对成型质量的影响有限;但过大的出丝率会导致制品打印失败。综上,通过对PLA线材熔融挤出、线材间熔接,及逐层累积形成制品的3D打印全过程的研究,考虑了材料的黏弹性、打印工艺参数及其路径(制品结构)对打印质量(力学性能、尺寸精度和表面粗糙度)的影响。通过实验、数值模拟、正交实验分析,优化了工艺参数,并完成了优化结果的验证,为PLA线材FDM3D打印质量的提升提供了参考。