3D打印（材料+精度影响因素）.docx

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1、3D打印机在制件时，材料是通过挤出装置进入挤出头加热，所以要求其具有较好的机械性能，具有一定的弯曲强度、压缩及拉伸强度，从而保证材料的连续供给，避免发生断丝现象。丝材在熔融沉积成型过程中，需要通过加热的喷嘴将其融化，喷涂到热床上并层层叠加，材料要经过固相、熔融态、冷却固化三个阶段，这就要求其具有良好的热稳定性，较低的收缩率和足够的粘结强度。目前常用的打印材料有ABS与PLA两种。ABS即丙烯晴-丁二烯.苯乙烯共聚物，它是非晶体，具有强度高、韧性好、熔点高、凝固快、流动性低的特点,是一种易于加工成型的热塑型高分子材料，应用较为广泛，但ABS在加热时会产生刺激性气味且收缩率较大，且成型精度不易控制

2、。PLA是聚乳酸的简称，主要以玉米、木薯等为原料，具有可降解性，加热融化时气味小，成型时收缩率较低,打印大型零件模型时边角不易翘起，且熔点较低,所以在实验中选择PLA作为打印材料。打印材料3D打印材料是3D打印技术发展的重要物质基础，在某种程度上，材料的发展决定着3D打印能否有更广泛的应用。目前，3D打印材料主要包括工程塑料、光敏树脂、橡胶类材料、金属材料和陶瓷材料等，除此之外，彩色石膏材料、人造骨粉、细胞生物原料以及砂糖等食品材料也在3D打印领域得到了应用.3D打印所用的这些原材料都是专门针对3D打印设备和工艺而研发的，与普通的塑料、石膏、树脂等有所区别，其形态一般有粉末状、丝状、层片状、液

3、体状等通常，根据打印设备的类型及操作条件的不同，所使用的粉末状3D打印材料的粒径为1一一IoOHm不等,而为了使粉末保持良好的流动性,一般要求粉末要具有高球形度。（1）工程塑料：ABS：工业上主要采用连续乳液法进行接枝共聚合，即将苯乙烯、丙烯月青单体混合后加入聚丁二烯或苯乙烯含量低的丁苯胶乳中进行接枝共聚合。PLA：由精制的乳酸直接进行聚合（缩合）PLA的方法。工程塑料将PS,SAN,BS的各种性能有机地统一起来，兼具韧，硬，刚相均衡的优良力学性能。有优良的综合性能，有极好的冲击强度、尺寸稳定性好、电性能、耐磨性、抗化学药品性、染色性，成型加工和机械加工较好。广泛用于食品包装物、片材薄膜、集成

4、电路的包装材料、玩具、纤维及绳带类产品。（2）光敏树脂:即是UV树脂，由聚合物单体与预聚体组成，其中加有光（紫外光）引发剂（或称为光敏剂）在一定波长的紫外光（250300纳米）照射下立刻引起聚合反应，完成固化。光敏树脂可以是半透明，打印出来精度、还原度较高，强度较高，表面光滑同时还耐高温、防水。能被理想的应用在汽车、医疗器械，日用电子产品的样件制作,还被应用到水流量分析，室温硫化硅橡胶模型、可存放的概念模型、风管测试、快速铸造模型的方面。（3）热塑性塑料：热塑性塑料是一类应用最广的塑料，以热塑性树脂主要成分，并添加各种助剂而配制成塑料。在一定的温度条件下，塑料能软化或熔融成任意形状，冷却后形状

5、不变；这种状态可多次反复而始终具有可塑性，且这种反复只是一种物理变化，称这种塑料为热塑性塑料。它有加热软化、冷却硬化特性，加热时变软以至流动，冷却变硬，这种过程是可逆的，可以反复进行。其可应用于车辆打印（全球首款3D打印车辆），密封条密封件系列，各种汽车零件园艺设备和各种软质部件，并且在电子电器、交通器材、建筑建材上都有广泛应用。（4）金属材料近年来，3D打印技术逐渐应用于实际产品的制造，其中，金属材料的3D打印技术发展尤其迅速.在国防领域，欧美发达国家非常重视3D打印技术的发展，不惜投入巨资加以研究，而3D打印金属零部件一直是研究和应用的重点.3D打印所使用的金属粉末一般要求纯净度高、球形度

6、好、粒径分布窄、氧含量低.目前，应用于3D打印的金属粉末材料主要有钛合金、钻铝合金、不锈钢和铝合金材料等，此外还有用于打印首饰用的金、银等贵金属粉末材料。钛是一种重要的结构金属，钛合金因具有强度高、耐蚀性好、耐热性高等特点而被广泛用于制作飞机发动机压气机部件，以及火箭、导弹和飞机的各种结构件。钻铭合金是一种以钻和铭为主要成分的高温合金，它的抗腐蚀性能和机械性能都非常优异，用其制作的零部件强度高、耐高温.采用3D打印技术制造的钛合金和钻倍合金零部件，强度非常高，尺寸精确，能制作的最小尺寸可达Imm,而且其零部件机械性能优于锻造工艺。不锈钢以其耐空气、蒸汽、水等弱腐蚀介质和酸、碱、盐等化学浸蚀性介

7、质腐蚀而得到广泛应用。不锈钢粉末是金属3D打印经常使用的一类性价比较高的金属粉末材料。3D打印的不锈钢模型具有较高的强度，而且适合打印尺寸较大的物品。(5)陶瓷材料陶瓷材料具有高强度、高硬度、耐高温、低密度、化学稳定性好、耐腐蚀等优异特性，在航空航天、汽车、生物等行业有着广泛的应用.但由于陶瓷材料硬而脆的特点使其加工成形尤其困难，特别是复杂陶瓷件需通过模具来成形.模具加工成本高、开发周期长，难以满足产品不断更新的需求。3D打印用的陶瓷粉末是陶瓷粉末和某一种粘结剂粉末所组成的混合物.由于粘结剂粉末的熔点较低，激光烧结时只是将粘结剂粉末熔化而使陶瓷粉末粘结在一起.在激光烧结之后，需要将陶瓷制品放入

8、到温控炉中，在较高的温度下进行后处理.陶瓷粉末和粘结剂粉末的配比会影响到陶瓷零部件的性能。粘结剂份量越多，烧结比较容易，但在后置处理过程中零件收缩比较大，会影响零件的尺寸精度.粘结剂份量少，则不易烧结成形.颗粒的表面形貌及原始尺寸对陶瓷材料的烧结性能非常重要，陶瓷颗粒越小，表面越接近球形，陶瓷层的烧结质量越好。陶瓷粉末在激光直接快速烧结时液相表面张力大，在快速凝固过程中会产生较大的热应力，从而形成较多微裂纹。目前.，陶瓷直接快速成形工艺尚未成熟，国内外正处于研究阶段，还没有实现商品化。（6）橡胶材料橡胶类材料具备多种级别弹性材料的特征，这些材料所具备的硬度、断裂伸长率、抗撕裂强度和拉伸强度，使

9、其非常适合于要求防滑或柔软表面的应用领域。3D打印的橡胶类产品主要有消费类电子产品、医疗设备以及汽车内饰、轮胎、垫片等。（7）其他3D打印材料除了上面介绍的3D打印材料外，目前用到的还有彩色石膏材料、人造骨粉、细胞生物原料以及砂糖等材料.彩色石膏材料是一种全彩色的3D打印材料，是基于石膏的、易碎、坚固且色彩清晰的材料.基于在粉末介质上逐层打印的成型原理,3D打印成品在处理完毕后，表面可能出现细微的颗粒效果，外观很像岩石，在曲面表面可能出现细微的年轮状纹理，因此，多应用于动漫玩偶等领域.3D打印技术与医学、组织工程相结合，可制造出药物、人工器官等用于治疗疾病。加拿大目前正在研发“骨骼打印机”，利

10、用类似喷墨打印机的技术，将人造骨粉转变成精密的骨骼组织.打印机会在骨粉制作的薄膜上喷洒一种酸性药剂，使薄膜变得更坚硬.美国宾夕法尼亚大学打印出来的鲜肉，是先用实验室培养出的细胞介质，生成类似鲜肉的代替物质，以水基溶胶为粘合剂，再配合特殊的糖分子制成.还有尚处于概念阶段的用人体细胞制作的生物墨水,以及同样特别的生物纸.打印的时候，生物墨水在计算机的控制下喷到生物纸上，最终形成各种器官。食品材料方面，目前，砂糖3D打印机CandyFab4000可通过喷射加热过的砂糖，直接做出具有各种形状，美观又美味的甜品。产品精度影响因素1)打印机精度及材料性能打印机本身的制造和装配精度以及工作过程中的振动都会影

11、响其打印精度，比如XY平面误差、XY轴与导轨垂直度误差及定位误差等。此外，打印机框架结构及所用材料刚度对其稳定性也有着很大影响。同时，不同的材料，其熔点、流动性、收缩率等各不相同，这些也都直接影响制品精度。2)工艺参数(1)温度打印温度包括挤出头加热温度和热床温度。挤出头加热温度主要影响材料的粘结堆积性能及丝材流动性。温度过低将使材料难以粘结到热床上或是发生如图2所示的层间剥离，同时易造成喷嘴堵塞；过高则会使材料挤出时偏于液态，而不是易于控制的丝状。热床温度直图2层间剥离接影响打印制品的热应力及其与底板的粘结力，过低会造成翘曲、脱落等现象。(2)喷嘴直径与层厚喷嘴直径决定挤出丝的宽度，进而影响

12、成品精细程度。由于3D打印的材料是一层一层铺起来的，故层厚的设置同样也会影响制品的粗糙度。若选用大直径的喷嘴、层厚设置的厚，则打印耗时短，但成品较粗糙；反之，则耗时长,但得到的成品更精细。打印时需综合模型尺寸、用途来合理选用喷嘴设置层厚。(a)喷嘴直径0.4mm(b)喷嘴直径0.2mm(a)所示为当喷嘴直径为0.4mm时打印出的样件，(b)为选用0.2mm喷嘴直径所打印样件，后者表面“台阶”更窄，更光滑。(3)打印速度3D打印是一个打印速度与挤出速度相互配合的过程，二者需要合理匹配才能达到打印要求。若打印远快于挤出，则材料填充不足，导致断丝；反之则会使熔丝堆积在挤出头上，导致材料分布不均。由于

13、桌面打印机所用材料为丝材，故只需在程序中设置丝材直径与打印速度便可，不用设置挤出速度。打印速度对制件精度有着关键的影响，不能过快或者过慢，需对其进行详细的设置，如图4所示，包括轮廓的打印速度、实体的填充速度、支撑结构打印速度等，并且通常情况下要对第一层的设置一个较慢的速度以提高其成型质量，为接下来的打印提供一好的基础。（4）填充方式不同的填充方式对应的打印速度、制品的收缩应力也不同。例如，直线填充速度较快，而蜂窝状填充产生的收缩应力较小。在以ABS作为材料时，选择蜂窝状填充可减少翘曲。图（a）所示为直线填充的圆柱，每层均为互相垂直的线；图（b）为蜂窝状填充，其上下两层为直线填充。（a）直线填充

14、（b）蜂窝状填充（5）冷却3D打印是一个连续的过程，完成一层之后即打印下一层，而桌面3D打印机的制品尺寸都较小，因此在打印PLA等流动性较高的材料时会出现前一层尚未完全成型，后一层便开始在其上打印的情况，这无疑会损害制品精度。所以一般3D打印机都在挤出头边设有下图所示的风扇，以加快固化过程。打印前应设置合适的转速，从而获得较好的成型效果。而有些材料，如ABS,本身流动性较低，因而不需要风扇进行冷却，否则会引起制件翘曲。鼓风机导风道3D打印机冷却风扇翘曲分析3D打印过程中，丝材经历了由固态到熔融再到冷却固化三个阶段。在这一过程中由于材料体积收缩而产生的内应力会造成原形的整体变形、翘曲甚至分层。一

15、般室内使用桌面3D打印机制件的翘曲现象十分常见，如图8所示。造成翘曲变形主要是由于在分层成型过程中，材料堆积不同步而引起各层间体积收缩不同，进而造成内应力不等而产生的。若新的堆积层能够自由收缩，则不会产生内部应力，但实际上，由于新堆积层底面受到已完成部分的外力作用，不能完全收缩，便会不可避免的产生内应力。桌面3D打印机的使用环境主要为室内，温度难以改变，主要通过适当调整热床温度和风扇转速来减少翘曲发生。综上影响桌面3D打印机制品精度的因素很多，使用时要根据具体情况，结合经验，选择合适的喷嘴、填充方式、支撑结构，同时调节适宜的喷嘴尺寸、热床温度来提高制件的精度。制件翘曲主要是由温度差引起的，可通过合理调节风扇转速和热床温度有效改善翘曲。