FDM工艺零件翘曲变形分析及实验研究

【48】 第39卷 第8期

2017-08

FDM 工艺零件翘曲变形分析及实验研究

The analysis and experimental research for warp deformation in FDM process

张 捷1，顾 海1，李 彬1，袁祖强2，姜 杰1

ZHANG Jie 1, GU Hai 1, LI bin 1, YUAN Zu-qiang 2, JIANG jie 1

（1.南通理工学院 机械工程学院，南通 226002；2.南京工业大学 机械与动力工程学院，南京 211816）摘 要：熔融沉积成型（FDM）是3D打印技术入门机型的首选工艺，以FDM工艺中常见的翘曲变形为研

究对象，分析了翘曲变形过程及机理，建立了翘曲变形过程的数学模型，定量分析了膨胀系数α、室温、成型尺寸、层厚与层数对翘曲变形的影响，提出减小控制翘曲的具体措施，并以电池盒为例进行实验研究。

关键词：FDM；熔融沉积；翘曲变形；层间应力中图分类号：TH16 文献标识码：A 文章编号：1009-0134(2017)08-0048-02

收稿日期：2017-04-21

基金项目：江苏省高校品牌专业建设项目（PPZY2015C251）；江苏省3D 打印装备及应用技术重点建设实验室；2015年 南通理工学院校级课题（2015010）

作者简介：张捷（1988 -），男，讲师，硕士，研究方向为3D 打印快速成型、三维扫描和机电一体化技术。0 引言

近几年3D 打印技术发展迅速，尤其是桌面级3D 打印机的出现，3D 打印技术迅速推广和占领市场。而熔融沉积成型技术FDM （Fused deposition Modeling ）是当下最流行的3D 打印成型工艺，这种工艺的是将热塑性塑料聚合体材料加热熔融成丝，从喷头挤出，喷头按一定路径移动，挤出的材料堆积在成型面上成型，材料主要是聚乳酸PLA 、ABS 树脂、弹性体材料、以及熔模铸造用蜡[1]。

FDM 工艺中，由于材料冷却时体积上不均匀收缩会产生内应力影响成型精度，引起原型翘曲或者内部分层，还有可能破坏工件与平台的连接。而翘曲变形普遍存在于快速成型工艺中，是影响制件质量的重要因素，减小和尽量避免翘曲变形提高制件精度是快速成型技术研究的重要课题，因此研究FDM 工艺零件的翘曲变形具有重要意义[2]。

1 FDM 制件翘曲变形机理

1.1 翘曲变形过程及层间应力分析

FDM 工艺中，熔融状态的丝在冷却过程中会经过粘流态、高弹态、玻璃态[2]，制件翘曲变形示意图如图

1所示，图(a)为新堆积层刚刚堆积到制件上；图(b)为新堆积层从熔融温度T m 冷却到玻璃化温度T g 过程的理论变形，实际上此过程由于处于热塑性阶段，新堆积层会受到下部制件的外力拉伸，会伸长变形如图(c)所示；图(d)是堆积层从玻璃化温度T g 到成型室环境温度T e 过程形变，理论线收缩量为ε=α(T g -T e )，α为丝材热膨胀系数，但由于下层已成型部分的作用，会将其拉回原来长度，此时产生层间内应力σ=E α(T g -T e )，E 为热变形阶段弹性模量，从而制件向上翘曲变形[3,4]

。

(a) (b)

(c) (d)

图1 熔融沉积成型翘曲变形过程示意图

万方数据