基于PLA材料的3D打印悬垂结构表面精度优化

Surface Accuracy Optimization of 3D Printing Overhang Structures Based on PLA Materials

摘要

熔融沉积成型3D打印利用逐层累积的方法可以快速制造出复杂型腔的零件和模型，但此制造方式下零件容易出现表面缺陷和尺寸误差。文章针对零件在打印过程中悬垂部分底面出现的筋状拉丝问题，通过前处理添加致密层和后处理利用化学溶液抛光的方法进行实验，测量打印零件悬垂部分圆柱度，以直接打印零件测量的圆柱度为基准。结果表明：只经过前处理的零件其圆柱度相比未做处理的零件提升了13.6%。只经过后处理的零件其圆柱度相比未做处理的零件提升了18.7%。前处理与后处理相结合而得到的零件其悬垂部分圆柱度精度提升了64.3%。研究验证了前处理与后处理结合可有效地解决悬垂部分出现的筋状拉丝情况。

关键词

3D打印 / 复杂型腔 / 筋状拉丝 / 后处理 / 圆柱度

Key words

3D printing / Complex cavities / Ribbed brushing / Post-treatment / Cylindricity

传统成型制造有局限性，工业制造领域中的复杂型腔且含有管道特征的曲面零件，只能通过铸造进行加工，但是直接铸造需要模具，模具的制造是一大难点^[1]。利用熔融沉积成型(FDM)不仅可以缩短时间还可以保证精度^[2]。FDM作为应用广泛的一种3D打印方式因其操作简便，设备机器和使用材料价格适中，被学校和企业广泛应用^[3]。FDM原理是将特定丝材加热到熔融态，再由喷头沿预定的路径挤出，一层一层堆积出零件的形状，直到打印完成^[4]。FDM工业领域与传统制造业相比，简化了制造过程和步骤，缩短了制造时间^[5]，特别是复杂型腔的曲面零件，可以一步直接成型到最终形状^[6]。关于打印成型零件的后处理方面。李彬等^[7]介绍了FDM的原理及特点，分析了化学处理的原理，并从直接浸泡处理、冷蒸汽处理和热蒸汽处理等方面论述了FDM成型件后处理的研究现状和进展。肖建华等^[8]从制件后处理，优化工艺参数及结合其他成型技术等多方面，论述了国内外关于FDM打印件表面粗糙度的改进方法及研究进展。张江涛等^[9]用氯仿溶液对聚乳酸(PLA)材料成型件的表面进行雾化抛光，可以明显提升表面光洁程度、减小表面粗糙度。LI等^[10]对PLA零件经化学处理的FDM表面粗糙度做了研究。关于打印前处理参数优化方面。陈延凯等^[11]对Inspire-S250型3D打印机工艺参数优化进行研究，选用正交试验探讨了分层厚度、扫描次数、填充间隔以及成型室温度对ABS制品表面粗糙度和拉伸强度的影响。MUSTAPHA等^[12]在智能高分子材料和复合材料3D打印的FDM方面进行综述。赵静等^[13]采用正交试验，基于圆弧弦长、成型角度、打印层厚、填充密度及打印速度五个工艺参数对圆弧制件轮廓精度进行分析，确定了参数对轮廓精度影响的强弱程度。目前，复杂型腔且含有管道特征的零件在打印过程中会出现特殊的表面问题。本实验采用含有多联通型腔及悬垂圆柱特征的零件为研究对象，针对零件的筋状拉丝现象，提出在软件中对支撑的控制以及打印完成后利用氯仿溶液进行淋洒处理，为提高此类特征零件打印质量提供参考。

1 多联通复杂型腔零件的分析

三轴机床可以加工制造一些特征单一的零件，自由度更高的五轴机床可以加工一些复杂的自由线型的曲面零件。但对于工业生产中一些含有弯曲管道特征的零件，机床无法加工成型，这类零件在传统工业中通常会利用焊接或者铸造的方式来制造^[14]。焊接加工可以将零件的特征部分拆分并分别加工完成后，再根据具体零件形状进行焊接，尺寸越小的零件越难保证其尺寸精度和特征部分位置精度^[15]。焊接完成后还需要再次进行表面处理，采用这种方法加工费时费力，不利于批量生产。铸造可以一体成型，但是从零件图纸到其模型却是一个难题，需要耗费大量时间制造模型，而利用FDM加工很容易从图纸得到零件模型^[16]。图1为复杂型腔曲面零件。从图1可以看出，这种含有悬垂的圆柱管道特征的零件，机床不能直接进行加工，依照传统的加工方式，可以选择铸造，但是最初制造砂型模具就是一个难题。也可以选择用机床加工零件的单个特征，最后进行焊接，这样的加工方式会导致零件从图纸到成型的制造周期加长，且此类小型零件进行焊接拼接，最终成型零件的精度难以保证^[17]。但是通过FDM 3D打印容易得到零件的样件，通过样件进行熔模铸造就可以得到1:1还原的金属零件。图2为零件的尺寸要求。从图2可以看出，零件尺寸偏差要求控制在±0.1 mm之内。

本次实验根据零件图尺寸及打印机的制造尺寸选择零件尺寸1:1打印，为了保证零件的尺寸精度，利用前期正交试验得到的最优打印参数（即层高为0.10 mm、打印速度为40 mm/s、打印温度为200 ℃、底板温度为60 ℃、冷却静置时间为30 min）对零件进行整体打印^[18]。同时考虑零件的特殊形状和FDM打印的特性及打印效率，零件适宜竖直打印制造，同时在悬垂部分添加支撑结构。图3为零件在打印机中切片路径。图4为零件打印实物。

利用游标卡尺对打印零件进行测量，以五个方面的尺寸衡量打印质量，分别是零件的主体管长度、斜圆管与主体管的角度、斜圆管的直径、悬垂圆柱面直径、悬垂凸台的长度。每个部分测量三次取平均值，表1为测量结果。从表1可以看出，零件的主体管长度、斜圆管与主体管的角度、斜圆管的直径这三个方面的尺寸满足零件要求，但是悬垂圆柱面直径、悬垂凸台的长度这两个方面的尺寸不满足要求，通过观察零件本身发现其悬垂部分出现了特殊的筋状拉丝现象，导致其悬垂部分尺寸精度误差非常大，破坏了零件的整体尺寸精度，针对这种现象做进一步分析。

2 零件悬垂圆柱面的筋状拉丝现象的分析

2.1 打印过程出现的问题

在进行FDM打印过程中，由于成型零件的特殊性以及打印的特殊性，零件在打印底板上层层堆积，模型的悬空部分若超过一定的临界角度，必须要添加支撑，否则零件在打印中会出现局部坍塌、堆积成块的现象^[19]。本实验零件在打印过程中添加了必要支撑，图5为支撑示意图。

虽然添加了必要支撑，但是在悬垂圆柱面底部还是出现了筋状拉丝现象，这破坏了零件整体的精度和表面粗糙度，使得零件表面质量下降。图6为零件底部筋状拉丝现象。从图6可以看出，悬垂面的底部，特定的位置出现了筋状拉丝现象，在含有悬垂圆柱结构的零件打印中，在打印整个悬垂圆部分的前10%层数，打印过程中由于重力的影响，同时底面没有足够的支撑力就出现一定的下垂，为了零件的形状完整以及打印效率，必须添加支撑。

根据STL格式中三角面片的外法向量n与打印机z轴正向v之间的夹角关系判断该区域是否需要支撑，两者关系为^[20]：

n \bullet v = \left|n\right| * \left|v\right| \mathrm{c} \mathrm{o} \mathrm{s} \theta (1)

式(1)中：设支撑三角面片与z轴正向之间的临界角为 {\theta }_{\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}}，当三角面片与z轴正向之间的夹角 {\theta }_i＜ {\theta }_{\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}}时不需要支撑，当三角面片与z轴正向之间的夹角 {\theta }_i＝ {\theta }_{\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}}时可能需要支撑，当三角面片与z轴正向之间的夹角 {\theta }_i＞ {\theta }_{\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}}时必须要支撑^[21]。

一般的临界支撑角为45°，零件中悬垂圆柱与z轴正向夹角为90°，所以一定要添加支撑，但是支撑在后期零件的形状处理中又必须要拆掉，即支撑与零件之间还是有一定的空隙，一般的支撑还会出现筋状拉丝现象^[22]。

2.2 简化模型

针对打印过程中出现的问题，并考虑打印零件整体的时间，对提取零件的必要特征以及出现问题的部分进行模型简化，只保留其悬垂柱面部分^[23]，图7为简化后的零件模型。为了便于打印和后期测量，将零件中圆柱特征的直径尺寸设定为20 mm，底面和悬垂面的倒角为2 mm。

2.3 现象分析

从微观角度分析，已知材料从固态加热到熔融态从喷嘴挤出后，分子运动变得活跃，在热状态下丝材之间的界面相互接触，会产生微微融合的现象。这样丝材间出现黏结力与摩擦力，要保持丝材悬空必须保持力的平衡，在悬空部分，需要克服重力，因此必须添加支撑，给悬垂部分足够的支撑力^[24]。使得模型悬空部分的材料自身重力(G _悬空丝材)等于丝材之间黏结力(F _黏结力)、摩擦力(F _摩擦力)与支撑部分提供的支撑力(F _支撑力)之和。

根据打印路径最优规划及打印效率，对于悬垂圆柱部分，综合考虑打印效率与打印质量，喷头一般会选择顺着圆柱轴心的方向进行打印，丝材会顺着路径平铺，无论如何切片，悬垂部分圆柱面的最低面都会出现切片的第一层，所以必须添加支撑^[25]。一般支撑的打印路径方向与零件接触面打印方向不一致，两两接触丝相融部分较微薄，此规划路径使得后期拆掉支撑更容易，且不会对零件的表面质量造成较大影响^[26]。图8为悬垂圆柱面打印路径。

针对打印零件悬垂圆柱面出现筋状拉丝现象，从两个角度考虑进行研究，首先考虑支撑，其次考虑打印完成后处理。

2.3.1 支撑

在FDM打印过程中，这种悬垂的圆柱部分必然需要支撑。目前对支撑的研究大致分为两类^[27]：一般支撑和树形支撑，树形支撑适用于人物模型类的点支撑，这种支撑耗材少，可以缩短打印时间，提高打印效率，同时可以保证人物模型的打印质量，但是本文提出的这种类型零件支撑面稍大，所以不适用。鉴于此，本实验用一般形状的支撑^[28]。其次考虑支撑密度，支撑密度是为了保证支撑力足够，同时较高的支撑密度会增加后期支撑拆除难度，本文选用30%的支撑密度。最后考虑支撑接触情况，在仔细观察出现打印问题的位置，观察到支撑与零件之间还有一定的间隙，所以考虑在支撑面之间生成一层致密的打印层，使得悬垂部分在最开始就受到支撑力，不会出现形状因为重力而突显的情况。图9为致密层图片。

2.3.2 后处理

设定打印参数（打印速度、打印温度、层厚等）保持一致后，选择一般形状的支撑类型，整个零件打印完成后，同时充分冷却，再进行后处理。首先应该拆除支撑结构，支撑结构与零件本身的粘连属于正常现象，利用剪刀等工具将支撑取下，然后用砂纸进行打磨，分析打印材料的特性，选择一种能够溶解PLA的三氯甲烷溶液对悬垂部分进行处理^[29]。三氯甲烷是一种易挥发的溶液，它可以将PLA溶解，同时在溶液挥发后又会析出PLA。PLA分子重新排列后形成的表面会很光滑^[30]。图10为悬垂部分底面模型的化学处理过程。

2.3.3 前处理与后处理结合

在打印前期利用软件在零件悬垂部分的支撑上添加致密的支撑接触面，给悬垂部分提供足够的支撑力，打印完成足够冷却后，再进行后处理，包括对粗糙部分的打磨和利用溶液化学处理。两种处理方式结合，在前处理打磨的基础上，利用三氯甲烷溶液进行淋洒处理，使得零件的悬垂部分的底面经历凝固-溶解-再凝固，从而使得悬垂部分底面更加光滑，表面粗糙度降低、精度增加。

3 零件打印优化处理验证分析

3.1 零件悬垂部分打印优化处理验证

本文为了分析零件悬垂部分的筋状拉丝问题，不考虑零件的打印效率，其打印工艺参数与前文设置的参数一致（即层高设为0.10 mm，打印速度设为40 mm/s，打印温度设为200 ℃，底板温度设为60 ℃，冷却静置时间设为30 min）。根据2.3节提出的解决办法，打印四组零件，即一组不进行处理的零件，一组只进行前处理的零件，一组只进行后处理的零件，一组同时进行前处理与后处理的零件，每组零件打印三个零件，取其测量的平均值进行比较。考虑到零件形状为圆柱形，圆柱度是指任一垂直截面最大尺寸与最小尺寸差为圆柱度。本实验利用圆柱度来刻画悬垂圆柱部分的底面粗糙度，利用游标卡尺测量其悬垂部分直径，利用直径之间的差值即圆柱度作为试验指标。表2为验证实验结果。从表2可以看出，第4组零件的圆柱度最小，表明通过两种处理方式的结合可以极大地改善零件悬垂部分的筋状拉丝情况。

图11为零件悬垂部分打印优化验证对比。

从图11a可以看出，零件未做任何处理，只是单纯地拆掉支撑部分，其表面质量非常差，且经过测量，其悬垂部分圆柱度为0.513 mm，其圆柱度是四种处理方式中最差的。从图11b可以看出，零件是经过前处理加上打印支撑致密层，并拆掉支撑后打磨过，其悬垂部分圆柱度为0.443 mm，其表面质量比第1组零件有了很大提升。从图11c可以看出，零件没有经过前处理，但是经过后处理，用三氯甲烷进行淋洒处理，其悬垂部分变得光滑，其悬垂部分圆柱度为0.417 mm，其表面质量比第1组零件也有很大提升。从图11d可以看出，零件经过了前处理和后处理融合，在打印之初添加了支撑致密面，打印完成后经过打磨和三氯甲烷进行淋洒处理，其表面精度在4种零件中最好，圆柱度也最好且接近理想值，其悬垂部分圆柱度为0.183 mm。

通过计算可以得出，以未做任何处理的第1组零件为基准，可知只经过前处理的零件其圆柱度相对于未做处理的零件误差缩小了13.6%，只经过后处理的零件其圆柱度相对于未做处理的零件误差缩小了18.7%，经过前处理与后处理结合的方法得到的零件其悬垂部分圆柱度相对于未做处理的零件误差缩小了64.3%。

3.2 零件整体打印优化处理验证

通过验证零件悬垂部分，可知前处理和后处理融合，可以明显改进悬垂圆柱底面部分出现的筋状拉丝情况。再次打印图1中的零件，打印完成后应用前后处理结合的方式对零件进行处理，图12为处理后的整体零件实物。

表3为处理后参数尺寸。从表3可以看出，利用最佳的参数值打印模型零件，再经过前后处理结合优化处理悬垂面的筋状拉丝情况，最后测量参数尺寸值为合格的参数尺寸，验证了最优参数对于零件的整体打印满足零件模型的使用要求。

4 结论

针对零件在FDM打印过程中出现的筋状拉丝问题，以FDM打印过程中丝材的微弱变化，从微观和打印路径规划两个角度分析问题，分析悬垂底面的受力平衡，得到其悬垂面底部由于打印路径和支撑力不够而出现筋状拉丝现象，打印前处理中在零件特征和支撑部分之间添加一层致密的接触面，可以有效改善筋状拉丝现象，打印后处理中以打磨和利用化学溶液进行表面抛光处理，可以有效减轻筋状拉丝现象。

通过对简化零件的试验分析可以得出：以未做任何处理的零件的圆柱度为基准，可知只经过前处理的零件其圆柱度相对于未做处理的零件提升了13.6%，只经过后处理的零件其圆柱度相对于未做处理的零件提升了18.7%，而经过前处理与后处理结合的方法得到的零件其悬垂部分圆柱度精度提升了64.3%。

通过对零件的整体打印，结合前处理添加致密层和后处理利用化学溶液抛光，得到零件的外形尺寸达到合格尺寸，且其悬垂表面的质量达到零件的表面要求，零件整体满足使用要求。

参考文献

[1] 周鹏,赵亚军,李木.装配式建筑结构构件配套模具设计组装技术[J].施工技术,2021,50(4):27-29.

[2] 杨裕金,林鸿裕,杨晨,基于正交实验的熔融沉积成型工艺参数的优化[J].中国塑料,2019,33(6):69-75.

[3] 白永健,陈赟,张思,熔融沉积成型3D打印拉丝缺陷的正交实验研究[J].浙江大学学报:工学版,2022,56(10):2093-2103.

[4] FERRETTI P, LEON-CARDENAS C, SANTI G M, et al. Relationship between FDM 3D printing parameters study: Parameter optimization for lower defects[J]. Polymers, 2021, DOI: 10.3390/polym13132190.

[5] 张捷,顾海,李彬,FDM工艺零件翘曲变形分析及实验研究[J].制造业自动化,2017,39(8):48-49, 60.

[6] 杨宏伟,杜江华,罗丹池,基于熔融沉积3D打印聚乳酸基复合材料的研究进展[J].包装工程,2022,43(23):159-166.

[7] 李彬,顾海,张捷,基于化学处理的熔融沉积成型后处理研究进展[J].现代制造工程,2019(11):155-160, 112.

[8] 肖建华,高延峰,陈思维,基于塑料微挤出成型的熔融沉积成型技术表面粗糙度研究进展[J].高分子材料科学与工程,2017,33(4):160-167.

[9] 张江涛,胡中伟,朱泽朋,熔融沉积成形件的表面雾化抛光实验研究[J].机械科学与技术,2017,36(6):960-964.

[10] LI B, YANG J W, GU H, et al. Surface roughness of PLA parts by FDM with chemical treatment[J]. Journal of Physics: Conference Series, 2021, DOI: 10.1088/1742-6596/1948/1/012199.

[11] 陈延凯,史廷春,张建辉.打印参数对FDM成型ABS制品性能的影响[J].工程塑料应用,2019,47(10):47-52.

[12] MUSTAPHA K B, METWALLI K M. A review of fused deposition modelling for 3D printing of smart polymeric materials and composites[J]. European Polymer Journal, 2021, DOI: 10.1016/j.eurpolymj.2021.110591.

[13] 赵静,杨丽,魏天路,熔融沉积3D打印工艺参数对圆弧制件轮廓精度的影响[J].塑料工业,2022,50(4):104-107, 134.

[14] RIVERA-LÓPEZ F, HERNÁNDEZ-MOLINA M, ALEJANDRO DEL M B, et al. Effect of process parameters and postprocessing on mechanical properties of additive manufacturing polylactic acid obtained by fused deposition modeling[J]. 3D Printing and Additive Manufacturing, 2023, DOI: 10.1089/3dp.2021.0052.

[15] 王永周,刘健,南思豪,熔融沉积成型筒形件的尺寸收缩特征研究[J].制造技术与机床,2022(7):91-95.

[16] 杨鑫,王婉琳,范亚卓,3D打印金属零件后处理研究现状[J].功能材料,2020,51(5):5043-5052.

[17] RAO S A, DHARAP A M, VENKATESH L V J. Experimental study of the effect of post processing techniques on mechanical properties of fused deposition modelled parts[J]. International Journal of Manufacturing, Materials, and Mechanical Engineering (IJMMME), 2015, DOI: 10.4018/ijmmme.2015010101.

[18] 王太子,唐清春,魏巍,基于PLA材料3D打印表面尺寸精度的参数优化[J].塑料工业,2023,51(1):85-91.

[19] JO K, JEONG Y, LEE J, et al. A study of post-processing methods for improving the tightness of a part fabricated by fused deposition modeling[J]. International Journal of Precision Engineering and Manufacturing, 2016, 17(11): 1541-1546.

[20] 龚张顺,赵东标,薛乐.熔融沉积成型树状支撑生成算法设计[J].机械设计与制造,2022(1):132-135.

[21] 马亚雄,李论,周波,基于FDM技术的3D打印支撑结构自动生成算法研究[J].制造业自动化,2018,40(5):64-68.

[22] KRISHNA A V, FAULCON M, TIMMERS B, et al. Influence of different post-processing methods on surface topography of fused deposition modelling samples[J]. Surface Topography: Metrology and Properties, 2020, DOI: 10.1088/2051-672X/ab77d7.

[23] VALERGA A P, BATISTA M, FERNANDEZ-VIDAL S R, et al. Impact of chemical post-processing in fused deposition modelling (FDM) on polylactic acid (PLA) surface quality and structure[J]. Polymers, 2019, DOI: 10.3390/polym11030566.

[24] 冯东,王博,刘琦,高分子基功能复合材料的熔融沉积成型研究进展[J].复合材料学报,2021,38(5):1371-1386.

[25] 李彬,李子杰,顾海,化学处理对熔融沉积成型件力学性能的影响[J].机械科学与技术,2020,39(1):144-149.

[26] 朱晨颖,程海峰,邱成滨.熔融沉积成型(FDM)工艺参数优化设计研究[J].塑料工业,2017,45(7):42-46, 56.

[27] 邓佳文,王冰,沈峰,基于熔融挤压快速成型的3D打印关键技术发展现状[J].化工新型材料,2016,44(10):36-38.

[28] LALEHPOUR A, BARARI A. Post processing for fused deposition modeling parts with acetone vapour bath[J]. IFAC-PapersOnLine, 2016, 49(31): 41-48.

[29] 傅骏,蔺虹宾,周棣华,基于3D打印的艺术品模具快速熔模铸造实践[J].热加工工艺,2016,45(13):99-100.

[30] 李星云,李众立,李理.熔融沉积成型工艺的精度分析与研究[J].制造技术与机床,2014(9):152-156.

基金资助

国家自然科学基金(52165054)