基于3D打印的熔融沉积快速成型工艺若干问题

发表于 2016-8-30 22:15:09 显示全部楼层 0 6557

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互联网      通过实际加工分析FDM式3D打印机在打印过程中出现的底部翘曲、拉丝、出丝不畅和错位问题,寻找问题出现的原因,并提出解决方案。
引言
FDM即熔融沉积快速成型工艺,是快速成型工艺中最具发展前景的成型工艺之一。FDM工艺具有成型速度快、成本低、成型精度高等特点,被广泛用于概念模型、原型件共至功能件的制造,为研究FDM成型工艺,我们采用的机型是Prusa13。Prusa i3是基于国外Reprap开源项目的第三代机型,其主要的特点是:1)完全开源,适合研究;2)结构简单,体积小;3)制造成本低;4)使用的材料为ABS和PLA,材料价格低廉、我们使用的Prusa 13如图l所示。

我们采用Repetier-firmware0.91版固件,固件参数根据实际打印情况进行了调整。使用的上位机软件是Repetier-Host1.0.6版本,目的是让同件与上位机软件达到最好的兼容效果,切片软件是Slic3r,该软件切片速度较快,参数灵活可调,应用广泛。打印机控制板选用MKS BASEV1.2版,该控制板是经过优化设计的一体板,性能比较稳定。测试材料为PLA。在研究过程中我们对Prusa i3进行了多次打印测试,发现了几种常见的打印问题。

图1 Prusa 13 3D打印机

图1 Prusa 13 3D打印机

图1 Prusa 13 3D打印机

  1 打印件底部翘曲问题分析及解决方案
  在打印过程中,打印件底部翘曲是最常见的问题。无论打印件的底部面积多大,都有可能出现底部翘曲的问题。如图2所示,该打印件为3D打印机的结构零件,图中圆圈所示部位即为打印件底部翘曲现象。

  问题产生的原因:在FDM工艺中,要求已挤出的材料能够快速冷却固化成型。而材料在快速冷却过程中必然会收缩变形,温度越低变形量越大。在不使用热床的情况下,越靠近底层的材料冷却越快,其变形量也越大。如果最底层材料与打印平台之间的附着力不足以克服收缩应力,打印件底部就会翘曲。随着打印层数的增加,收缩应力就越大,打印件底部翘曲问题也越严重。

造成问题产生的因素:1)打印平台的水平调节不到位,导致附着力不均匀;2)打印平台表面过于平滑或有灰尘,导致材料无法黏附;3)打印平台温度过低,导致底层材料温差过大,收缩过快。

图2 打印件底部翘曲

图2 打印件底部翘曲

图2 打印件底部翘曲

   解决的方案:首先,将打印平台表面清理干净;然后,对打印平台进行调平;最后,先加热平台到一定温度再开始打印(PLA材料需要加热到600℃,ABS材料需要加热到11O℃)。如果依旧无法解决问题,建议使用打印平台防翘用品,如防翘喷雾、防翘固体胶、美纹纸等。推荐使用3D打印热床喷剂,该材料温度在50℃以上时黏性较强,在36℃以下时几乎没有黏性。因此,既可以避免打印件底部翘曲,又方便取下打印件,3D打印热床喷剂配合热床使用,是比较理想的解决方案。

  2 打印件拉丝问题分析及解决方案
打印件外表面存在一些很细的丝状材料,而模型本身并没有这些丝状特征,这种现象称为“拉丝”现象。如图3所示,该打印件为树蛙模型,图中圆圈所示的丝状材料即为拉丝现象。在打印过程中,喷头完成一个区域的打印后需要快速移动到下一个不相连的区域,这些丝状材料就是随喷头的快速移动产生的。

图3 打印件的拉丝现象

图3 打印件的拉丝现象

图3 打印件的拉丝现象

问题产生的原因:通常喷头在快速移动到下一个打印区域之前,都会有回抽的动作。回抽就是送料机构逆向运行,将材料快速抽离挤出头的熔融腔形成真空,利用大气压将喷嘴处的材料压回熔融腔内,从而避免拉丝现象,但由于回抽的参数设置不当,回抽量太少或回抽速度太慢,都会导致材料无法完全被压回熔融腔内,于是就出现了拉丝现象。

  解决的方案:修改关于回抽的参数。对于不同的切片软件,回抽参数的修改也有所不同。这里以Slic3r为例,如图4所示,图中的参数全部都是关于回抽的参数,框选的是常用的参数。“length”参数是回抽长度,出现拉丝现象后可以将此项参数适当调高。“speed”参数是回抽速度,这项参数默认是挤出电机的最大转速,如果超过最大转速,速度将以最大转速运行,所以此项参数一般不需要修改。“Extra length on restart”参数是回抽后重新挤出的额外挤出量,用以避免回抽过量。但数值不宜过大,以免挤出过多导致打印件变形。“Minimum travel after retractinon”参数为同抽后最小移动距离,此参数用以判断是否需要回抽。如图中的数值“2”,意思是当喷头有2mm以上的不挤出运动距离时,执行一次回抽动作。此项参数不宜过小,以免回抽过于频繁。要避免拉丝现象,需要根据实际打印情况,经过反复多次的参数调整。

图4 回抽参数设置

图4 回抽参数设置

图4 回抽参数设置

互联网      通过实际加工分析FDM式3D打印机在打印过程中出现的底部翘曲、拉丝、出丝不畅和错位问题,寻找问题出现的原因,并提出解决方案。

3 出丝不畅或喷头堵塞问题分析及解决方案
  出丝不畅是指喷头挤出的丝断断续续不均匀,或者完全没有材料挤出的情况。如图5所示,该打印件为图中箭头所指区域为出丝不畅区域。出现这个情况的原因主要有:1)喷头温度偏低,无法快速熔融材料;2)喷头移动速度太快,材料还没来得及熔化;3)喷嘴被异物堵住,送料机构无法挤出材料;4)材料本身的直径不均匀,卡在送料机构中。

图5 出丝不畅现象

图5 出丝不畅现象

图5 出丝不畅现象

图6 手动控制界面

图6 手动控制界面

图6 手动控制界面

  解决的方案:由于之前不清楚是参数设置问题,还是喷头有异物,先对打印参数进行调整。在打印过程中发现出丝不畅时,Repiter-host软件允许直接通过手动控制,修改喷头移动速度的倍率或者喷头温度。图6是上位机软件的手动控制界面,图中框选部分分别为“挤出头移动速度倍率”和“挤出头温度”。可以将打印头移动速度倍率降低到50%,也可以将喷头温度提高到200℃,等打印速度或温度达到预定值时,再观察喷头是否出丝不畅。如果喷头依旧出丝不畅,那么就是喷头内有异物或材料问题,反之,说明参数设置不当。

   对于参数问题,可以通过手动调节打印速度和温度。在刚才调节的基础上,逐步提高喷头的移动速度倍率。当然,也可以不做调整,但打印时间会相对较长。对于非参数问题,需要立刻停止打印工作,然后检查材料直径是否均匀。若材料直径不均匀,将材料直径较粗的部分剪掉,重新装上材料即可。若非材料问题,则需要将喷头拆卸下来,进行清理。

  4 打印件错位问题分析及解决方案
   打印件错位顾名思义就是打印件在某些层面上偏离了理想位置,又称移位现象。如图7所示,该图为打印失败的镂空球体,如箭头所指处出现了打印错位现象。
   问题产生的原因:打印挤出头在移动时受到的阻力过大,导致电机堵转,或电机电流不稳定,导致电机失步。又或同步带松动,导致同步传动打滑。
   导致问题出现的因素:1)打印平台或挤出头在移动时被异物阻挡;2)同步带齿间或同步轮齿间存在异物,如细砂、丝状废料等;3)电源不稳定或受到干扰;4)安装时没有固定好同步带或同步带长时间使用,导致同步带的松动:5)模型文件存在未知错误。

图7 打印件错位

图7 打印件错位

图7 打印件错位

  解决的方案:1)检查打印平台和挤出头在移动中是否有异物阻碍,如有异物,直接将其移除即可;2)检查同步带与同步轮之间是否存在异物,如有异物,清理干净即可;3)检查同步带是否松动,如有松动,重新安装同步带使之张紧;4)检查电源是否稳定,是否有十扰,确保电源稳定。5)重启电脑,重新连接3D打印机,重新切片。如果依旧无法解决问题,可能是模型文件本身的问题,需要修复模型文件或重新制作模型文件。
  5 结语
以上是针对底部翘曲、拉丝、出丝不畅和错位问题提出的各种解决方案,是在大量实践中总结得出的,可为解决这些问题提供参考。
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