FDM 3D打印鳄鱼模型翘曲变形分析与优化

赖周艺，姜俊侠

（深圳信息职业技术学院机电工程学院，广东 深圳 518172）

FDM 3D打印鳄鱼模型翘曲变形分析与优化

赖周艺，姜俊侠

（深圳信息职业技术学院机电工程学院，广东 深圳 518172）

随着3D打印技术的发展与推广应用，打印件质量更加受到重视。针对某细长类鳄鱼模型FDM3D打印成型后在高度方向翘曲变形严重的现象，对产生翘曲变形的原因进行了分析和探讨，发现其主要由模型冷却凝固时收缩不均匀引起。试验表明，通过提高环境温度、降低打印层厚、加快打印速度和减少内部填充量，可有效改善翘曲变形情况。

3D打印；FDM；细长类；翘曲；优化

随着3D打印技术的发展和完善，尤其是桌面级3D打印机的出现，3D打印得到迅速推广应用[1-2]。FDM（Fused Deposition Modeling，熔融堆积成型）因其成本低、强度较好、无毒性和无化学污染，被广泛应用于桌面级3D打印机。FDM采用计算机控制喷头做水平运动，将加热的热塑性材料从喷头里挤出，在温度低于材料熔点的工作台上，迅速形成一层薄片轮廓截面，然后工作台下降一定高度(即层厚)，喷头继续挤出热塑性材料，这样逐层堆积，最终堆积成三维产品零件[3]。

采用FDM3D打印成型（熔融堆积成型）某细长类鳄鱼模型，初期调试时发现该打印件尾部在高度方向翘曲变形严重，超出了许用范围。文中对鳄鱼模型翘曲变形的原因进行了初步分析和探讨，通过优化工艺参数消除翘曲变形。

1 模型介绍与FDM3D打印工艺参数

某细长类鳄鱼模型如图1所示，其包容外形尺寸（长×宽×高）为135×10×10mm；打印设备采用北京太尔时代科技有限公司桌面级3D打印机UP2（如图2），材料为ABS（太尔时代公司3D打印专用丝材，直径φ1.75mm）。在生产调试初期采用的主要工艺参数如表1所示，打印所得成型件如图3所示，发现成型件头部和尾部在高度方向均产生翘曲变形，这是客户所不能允许的。翘曲变形是评定产品质量的重要指标，一般采用翘曲量来评价[4]；图3所示鳄鱼模型头部和尾部在高度方向的翘曲量分别为0.4mm和1mm。

图1 鳄鱼模型Fig.1 Crocodile model

图2 3D打印机(UP2)Fig.2 3D printer (UP2)

表1 3D打印调试初期采用主要工艺参数Tab.1 Main process parameters of 3D printing during initial debugging process

图3 鳄鱼模型3D打印成型件在高度方向的翘曲变形Fig.3 Warpage in height direction of crocodile model formed by 3D printing

2 FDM3D打印翘曲变形分析与优化

收缩不均匀容易导致塑件翘曲变形[5]。FDM3D打印鳄鱼模型尾部（见图4 A区域）为尖角，与空气接触面积大，热传导和对流的散热效果最显著，最容易冷却凝固；而模型主体（见图4 B区域）体积相对模型尾部较大，散热慢，凝固时间比模型尾部长，在凝固过程中在鳄鱼模型内部产生拉应力，导致鳄鱼模型尾部发生翘曲。与鳄鱼模型尾部相比较，模型头部同样有较大面积与空气接触，但其沿模型主体方向体积变化不太大，凝固时间相差不大，凝固时产生的收缩较小，因此虽然也发生了翘曲变形，但翘曲量小于鳄鱼模型尾部。

图4 鳄鱼模型3D打印成型件1Fig.4 3D printed form of crocodile model 1

为了改善翘曲，首先需要改变环境温度。鳄鱼模型3D打印调试初期时室温为18℃；拟将室温提高至22℃，减缓成形过程中鳄鱼模型尾部尖角部位的热传导和对流散热，降低冷却速度，从而减缓该部位凝固收缩应力。另外还从以下三方面进行控制：

(1）降低3D打印层厚（层厚由0.25mm减少至0.20mm），这样可以减少打印的新增层冷却时新增层底部与顶部间的温差，减少其收缩的不均匀。

(2）加快成形速度（由默认打印速度 40mm/s改为快速打印速度45mm/s），这样就减少了同一水平高度上在长轴方向不同部位的温差，减少了不同部位间的收缩不均匀。

(3）减少模型内部填充密度（如图5所示，填充模式由“松散”（ 填充网格为边长2mm的正方形）改为“中空”（填充网格为边长4mm的正方形）），这样就减少模型内部（尤其是模型主体）的塑料填充量，减少了模型主体区域的打印时间并加快了模型主体的冷却凝固速度，从而减少了模型主体与模型尾部之间的温差，进而减少了模型主体与模型尾部之间的收缩不均匀。

图5 内部填充示意图Fig.5 Schematic diagram of infill

修改后的工艺参数如表2所示。

表2 3D打印主要工艺参数Tab.2 Main process parameters of 3D printing

采用改进的工艺参数，充填密度的降低使得模型材料消耗从12.1g减低至10.6g；打印层厚的减少使得分层数量从50层增加到61层，打印总时间则从35min增加至43min。采用改进工艺参数打印所得模型如图6所示，头部翘曲变形消除，尾部翘曲变形得到明显改善，翘曲量为0.2mm。

图6 鳄鱼模型3D打印成型件2Fig.6 3D printed form of crocodile model 2

3 结论

翘曲为细长类模型FDM3D打印常见缺陷，主要由模型冷却凝固时收缩不均匀引起。试验表明，通过优化工艺参数：提高环境温度、降低打印层厚、加快打印速度和减少内部填充量，可有效改善翘曲情况。

（References）

[1]王月圆,杨 萍.3D打印技术及其发展趋势[J].印刷杂志.2013,(4):10-12.WANG Yueyuan,YANG Ping.3D printing technology and its development trends[J].Printing Field.2013,(4):10-12.(in Chinese)

[2]卢秉恒,李涤尘.增材制造（3D打印）技术发展[J].机械制造与自动化.2013,42(4):1-4.LU Bingheng,LI Dichen.Developement of the additive manufacturing (3D printing) technology[J].Machine Building &Automation,2013,42 (4):1-4.(in Chinese)

[3]江洪,康学萍.3D打印技术的发展分析[J].新材料产业.2013,(10):30-35 JIANG Hong,KANG Xueping.Analysis of 3D printing technology and development[J].Advanced Materials Industry,2013,(10):30-35.(in Chinese)

[4]李吉泉,李德群,郭志英.塑胶翘曲度及其计算方法[J].高分子材料科学与工程.2008,(6):1-4.LI Jiquan,LI Dequn,GUO Zhiying.The warpage degree of injection-molded parts and evaluation methods[J].Polymer Materials Science and Engineering.2008,(6):1-4.(in Chinese)

[5]董娇,王雷刚,黄 瑶.U盘上盖的翘曲变形分析与工艺参数优化[J].模具技术.2010,(2):8-11.DONG Jao,WANG Leigang,HUANG Yao.Warpage analysis and process optimization of USB flash disk cap[J].Die and Mould Technology.2010,(2):8-11.(in Chinese)

Warpage optimization of alligator part formed by FDM 3D printing

LAI Zhouyi,JIANG Junxia

（School of Electromechanical Engineering,Shenzhen Institute of Information Technology,Shenzhen 518172,P.R.China）

As the 3D printing technology is extensively applied ,the quality of printed parts has drawn more attention.For the serious warpage of the slender alligator part formed by FDM 3D printing,the reason was discussed and analysed and the results showed that the warpage was mainly caused by uneven contraction during cooling solidification.Experiments shows that by increasing ambient temperature,reducing printing slice thickness,accelerating printing speed and decreasing filling volume,the warpage of the FDM 3D printed parts can be improved effectively.

3D printing;fused deposition modeling (FDM);slenderness;warpage;optimization

TP334.8

：A

1672-6332（2014）01-0020-03

【责任编辑：杨立衡】

2014-1-20

赖周艺（1982-），男（汉），广东茂名人，工程师，博士，主要研究方向：先进制造技术；E-mail:laizhouyi@sohu.com