ABS材料对讲机外壳设计与3D打印优化成型

乔 女

（陕西国防工业职业技术学院，西安 710300）

0 引言

本文通过采用有限元分析软件 ANSYS 中的“单元生死”技术，综合考虑ABS塑料随温变化的特性以及ABS的“固—液—固”两次相变过程，基于APDL编写命令流，建立3D打印模型，进行温度场分析，计算不同的打印参数喷头温度T1、成形室温度T2、打印速度V对打印样件的影响，得出温度场分析的最优化结论，有效的缩短了计算时间，提高了计算精度。

通过“有限元分析—验证—改进设备（如有需要）—打印对比—得出优化结果—生产、制造” 这种思路与方法，可以推广到绝大部分塑料（如PP、PC、PEEK等）的打印中，这样就可以保证在3D打印设备台套数有限的情况下，最大效率的打印各类型材料，有效减少不必要的支出和验证性实验过程，具有良好的经济和技术价值。

1 ABS塑料技术指标

ABS是一种应用非常广泛的高分子聚合物，A表示丙烯腈，具有良好的抗冲击性、耐腐蚀性和抗氧化性，B表示丁二烯，具有良好的韧性，S表示苯乙烯，具有良好的刚性。ABS塑料抗冲击、耐热、耐腐蚀、耐低温、光泽性好、尺寸稳定、容易上色等优点而成为3D打印的常用原料之一，ABS物理性能参数如表1所示。

表1 ABS材料物理性能参数

2 ANSYS温度场分析

2.1 分析模型的建立网格划分

利用ANSYS进行分析，选择合适的尺寸和网格大小有利于提高分析精度和效率，模拟对象设计一个尺寸为12×12×1.2mm薄板状立方体，用ANSYS中SOLID70划分网格，确定每个小单元格的尺寸为0.6×0.6×0.3mm，外形为一个六面长方体，共划分出1600个单元。图1为3D打印模型温度场有限元网格模型。未来更好的观察3D打印过程中温度场的变化规律，明确打印开始过程与即将结束时的状态变化，研究好节点温度与时间的变化规律，做好温度梯度及节点冷却过程的分析，需要确定2条扫描线和6个取样点，如图2所示。

图1 打印模型与网格划分

图2 扫描线与取样点

2.2 打印参数设置

本文主要考虑3D打印过程中喷头温度T1、成形室温度T2、打印速度V三个条件对打印样件的影响。通过ANSYS更加直观的分析在这三个参数下，样件的温度场分布，分别编写命令流后开始进行有限元分析，并对节点—温度变化、温度梯度、节点冷却时间和冷却速率进行分析，得出分析结果，参数设置如表3所示。

2.3 不同打印参数对温度场分布影响分析

1）喷头温度T1的影响如图3所示，分别为喷头温度T1在190℃、200℃、210℃三种情况下的温度场分布，由于ABS塑料的熔点在190℃左右，也具有较大的熔融区间，最高可达到280℃～320℃，材料只要在熔融区间内都可以从喷头顺利挤出。从云图中可以看出，在整个打印过程中，T1值越高，图中的高温区域也就越大，同样低温区也在扩大，但是整体影响相对较小。

图3 不同喷头温度（T1）打印完成时的温度场

2）成形室温度T2的影响

如图4所示，分别为喷头温度T2在70℃、80℃、90℃三种情况下的温度场的分布，最低温度图4(a)为95.52℃，图4(b)为103.56℃，图4(c)为111.59℃，均在ABS软化点下，可以成型打印。从图中的分析结果可以看出随着的T2的升高，模型的整体温度也升高，温度场分布相对的也趋于稳定。在T2=70℃时，温度分布不均匀，随着T2温值升高，整体温度差越小，当T2=90℃时的温度变化范围比较合理。如果温度继续升高，则ABS始终处于过熔融状态、不利于冷却成型，打印产品容易出现焦糊和崩塌现象。

表2 不同条件下3D打印参数设置

图4 不同成型室温度（T2）打印完成时的温度场

3）打印速度V的影响

如图5所示，分别为打印速度V在20mm/s、30mm/s、40mm/s三种情况下的温度场分布。三种情况下对应的最低温度分别为108.91℃、111.59℃、115.90℃，均可成型。但是从图5(a)来看，整体温差较大，梯度变化非常明显，在成型时容易出现下一层还在打印而上一层已经凝固的现象；图5(c)来看，随整体温差变化小，温度场分布也区域稳定，但是冷却缓慢容易出现粘连或翘曲的现象。

图5 不同打印速度（V）打印完成时的温度场

3 数据计算与优化

3.1 节点温度—时间变化分析

设置打印条件为：喷头温度T1=200℃；成形室温度T2=90℃；打印速度V=30mm/s，通过分析得出图6，从图中可以得出：

1）图中a1、a2、a3点变化相对比较一致，出现四次波峰，且每次波峰逐渐减小，这与前文的设置正好吻合。以a1点为例进行分析：第1次波峰时间，正好喷头开始工作，熔化的ABS材料经喷头射出，温度快速达到预置值200℃，然后温度逐渐降低；第二次波峰时间，为t=8s时正好十字交叉打印第二层，喷头在a1点上方喷射，所以温度再一次升高，但升高温度明显弱于第一次，以此类推分别为第三层、第四层，所以出现四次波峰。

2）上面已经提到t=8s时改变打印方向（转变90°）开始打印第二层，此时喷头在a1点上方进行打印沉积，a1点温度则出现二次上升后下降的现象，a2、a3点温度分别于t=12s、t=16s达到第二个波峰；在t=16s时开始打印第三层，各点则被先后激活，a1和a2点由于散热时间长，所以其峰值温度较a3点低，综合来看：a3点最高、a2点次之、a1点最低，这也基本符合打印的实际情况。

3）t=24s时打印第四层，T1对第一层温度变化影响不大，表现为图6(a)中第四个波峰值较前三次明显降低。

4）图7(b)所示，c1、c2、c3点在前期还未打印，所以其温度为成型室假设温度90℃，打印进行到t=31.6s时，c1、c2、c3三点被依次激活后温度迅速达到200℃的峰值，然后开始进入冷却阶段，使各点温度进行自然冷却。c1点由于最先被激活，所以其冷却速度收到后续打印影响，冷却相对缓慢；c3点最后被激活，后续没有打印工作，所以冷却速度相对c1、c2点要快。以上过程均与实际相符。

5）从图中分析的结果来看：6个点均表现出升温曲线相比降温曲线要陡的多，这就说明升温的速度要比冷却的速度快，特别是c1、c2、c3点表现最为明显。但是温度变化速率却基本上一致，说明扫描方向上各点性能基本一致，从a1、a2、a3点的四次波峰来看，起点与终点温度峰值的变化差异要比中间点大，说明边缘、角点的温度差较高，呈现“端部效应”，而在实际的工作过程中，边角点处是最容易出现变形、翘曲或打印缺陷的地方，这也完全符合实际工作过程。

图6 6个取样点的温度—时间曲线

3.2 不同打印参数对a1点温度梯度影响

以a1点最为基准点，研究喷头温度T1、成形室温度T2、打印速度V三个参数对温度梯度的影响，经分析后得出图7的三个参数曲线，图7(a)为不同喷头温度T1下a1点温度梯度变化曲线，图7(b)为不同成型室温度T2下a1点温度梯度变化曲线，图7(c)为不同打印速度V下a1点温度梯度变化曲线。

从图中分析：喷头温度T1、成形室温度T2和打印速度V三个参数对于a1点温度梯度（Temperature Gradent）的影响曲线均能明显的看到4次温度变化，变化趋势基本一致；温度梯度值随T1升高而增加，随T2升高而降小，但是，从图7(a)和(b)的分析曲线来看，T1、T2这两个参数对a1点的温度梯度影响较小，不同取值的曲线基本重合；而打印速度V则对温度梯度的影响相对较大，从图7(c)可以看出，V值越高，则温度梯度呈现明显降低的情况。

根据仿真结果推测：在不影响ABS材料成形工艺的前提下，适当的降低温度梯度，可以有效的降低样件产生翘曲和变形的概率，保证成形质量。打印参数应尽量选择较低的喷头温度T1，较高的成形室温度T2，并在合理的范围内提高打印速度V，这与前期的假设基本一致。

图7 不同打印参数对a1点的温度梯度影响

3.3 不同打印参数下c1点冷却时间分析

3D打印中，喷头喷射出的ABS材料沉积并粘结在相对应的位置中，而粘结时需要能量的，这个能量就是喷头在喷射时所产生的表面势能和传导热能，而冷却时间与冷却速率对粘结的效果具有一定的影响。一般来说，冷却时间越长则粘结的效果越好，单元之间的粘接力也就越大，强度也就高。所以分析冷却过程的变化对提高成型质量具有很重要的意义。在这里取c1点作为研究对象，比较喷头温度T1、成形室温度T2和打印速度V三个参数对喷射到c1点位置上的ABS丝材沉积时的冷却过程影响，图8分别为在不同参数下的ABS丝材温度随路径变化曲线。

图8 不同打印参数下ABS丝材温度随路径变化曲线

从图中的分析曲线来看体现以下四点：

1）随着喷头温度T1、成形室温度T2和打印速度V对有效粘结时间的影响的总体趋势是一致的，就是随着喷头温度T1、成形室温度T2和打印速度V的提高，有效粘结时间就越长。有效粘结时间越长，ABS分子间的扩散也就越充分，则有效粘结强度也就增大，打印产品的质量也就越高；

2）喷头温度T1、成形室温度T2和打印速度V三个打印参数中，打印速度V对粘结时间的影响最大，喷头温度T1与成形室温度T2影响较小；

3）喷头温度T1的升高并没有使有效粘结时间出现大幅的提高，这其实是符合实际工作的。在实际工作中，当T1值过高时，丝材熔化过度，流动性增强，甚至过高的温度还会出现焦糊的现象，这样一来，粘结强度反会而降低，成型件的表面质量、样件精度和粘结强度都会产生不利的影响；

4）综合前面的分析，根据不同打印条件下参数的改变与冷却时间变化关系，便可以在实际工作过程中确定层间的打印时间间隔，推测出样件的尺寸极限，有效的避免在打印时出现糊丝、坍塌和断层的现象。

3.4 各层节点的冷却速率分析

取每一层中间点取一节点来研究分析冷却速率的影响，图9为第1、4层节点温度—时间变化曲线，从图中可以看出升温的速率要远远大于及冷却的速率，在3D打印工作过程中，当喷头运动到选取的节点时，则节点位置迅速升至喷头温度，相对冷却率来看其升温速率变化非常大。

图9 各层节点的温度-时间变化曲线

3.5 优化数据

通过ANSYS更加直观的分析在这三个参数下，样件的温度场分布，分别编写命令流后开始进行有限元分析，并对节点—温度变化、温度梯度、节点冷却时间和冷却速率进行分析，得出如下分析结果：

1）喷头温度T1、成形室温度T2、打印速度V三个参数的值越高，温度场分布就愈加均匀，成形室温度T2和打印速度V影响较大；

2）打印速度V越大，则模型整体温差变化小，温度场分布也区域稳定，但是过高的打印速度容易形成明显的打印痕迹，并且冷却缓慢容易出现粘连或翘曲的现象；

3）起点与终点温度峰值的变化差异要比中间点大，说明边缘、角点的温度差较高，边角点处是最容易出现变形、翘曲或打印缺陷的地方；

4）据不同打印条件下参数的改变与冷却时间变化关系，有效的避免在打印时出现糊丝、坍塌和断层的现象；

综合分析：确定最佳打印参数为：喷头温度T1=200℃；成形室温度T2=90℃；打印速度V=30mm/s。

4 实验验证

对讲机外壳UG实体造型如图10所示，本次打印采用北京太尔时代公司生产的Inspire D255熔融挤压快速成形机，其外形结构如图10所示。具体参数为：单喷头成型层厚0.1mm；双喷头成型层厚：0.15、0.175、0.2、0.25、0.3、0.35、0.4mm；成型空间：255×290×320mm。设备打印专用软件Modelwizard导入界面如图12所示。

图10 对讲机外壳UG造型图

图11 熔融挤压快速成形机

图12 Modelwizard打印软件界面

在打印参数为喷头温度T1=200℃和打印速度V=30mm/s均为定值，成型室温度T2分别为70℃、80℃、90℃三个温度来打印对讲机外壳，如图13所示为不同T2值的打印细节对比，T2=70℃外边轮廓更笨没有有效融合，说明在尺寸较大的产品打印时，喷头的轨迹路径较长，成型室温度过低，熔化的材料在沉积过程中冷却速度过快，就会产生这种现象，但是随着成型室温度的逐渐升高，效果也在逐渐的好转，成型室温度T2=90℃，轮廓处没有“散边”的现象，材料之间的融合效果较好。这也与ANSYS分析结果是一样的。

图13 不同T2值的打印细节对比

5 结束语

本文结合北京太尔时代公司生产的Inspire D255熔融挤压快速成形机对ANSYS分析的结果进行了打印实践，在不断的打印与分析过程中找出了最优参数为：喷头温度T1=200℃、成型室温度T2=90℃、打印速度V=30mm/s，为了进一步验证该参数的准确性，将对讲机外壳的成品按照成型室温度T2分别为70℃、80℃、90℃三个温度来进行打印，最终验证其参数设置的正确性。按照同样的思路与方法，可以应用到绝大部分塑料（如PP、PC、PEEK等）的打印，即先有限元分析——再验证——改进设备（如有需要）——打印分析——得出优化结果——推广、应用、生产、制造。

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