CN110039768B - 一种自适应预防样件翘曲变形的3d打印方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种自适应预防样件翘曲变形的3D打印方法，即首先根据材料本身的热特性设置打印设备相关温度；然后对样件的三维模型进行应力分析，根据所得应力云图及几何模型进行切片处理，得到相关截面信息，包括截面几何形状、打印头自适应移动路径和打印头动态移动速度；最后根据相关信息进行三维成型并进行后处理，本发明中3D打印热塑性塑料预防样件翘曲变形效果显著，且不影响样件的成型速度。

Description

一种自适应预防样件翘曲变形的3D打印方法
技术领域
本发明涉及3D打印技术领域，尤其涉及一种自适应预防样件翘曲变形的3D打印方法。
背景技术
熔融沉积制造法(FDM)快速成型技术是计算机根据CAD模型确定几何信息(三维图形)，控制FDM喷嘴，将使用的材料(如热塑性成形材料丝)，通过加热器的挤压头熔化成液体，使熔化的热塑材料丝通过喷嘴挤出，挤压头沿零件的每一截面的轮廓准确运动，挤出半流动的热塑材料沉积固化成精确的实际部件薄层，覆盖于已建造的零件之上，并迅速凝固，形成一层材料。之后，挤出头沿轴向向上运动一个微小距离进行下一层材料的建造。这样逐层由底到顶堆积成一个实体模型或零件。与其他增材制造工艺相比，熔融沉积制造方法的材料损耗最少，而且无需后续固化过程。用熔融沉积成型制造出来的模型或样件可直接用于新产品设计验证、功能验证、外观验证、工程分析、市场订货以及企业决策等方面。
但是在熔融沉积成型的过程中材料的局部熔化需要较大的能量密度，大的能量密度会造成较大的内应力和应变，进而导致翘曲变形。要想减小翘曲变形，最根本的方法就是要减小每层内部和层间的内应力。其方法不外乎有两种：一种是内应力已产生后设法加以释放和消除；或是在制造过程中尽量使每层自由收缩，最大限度地降低内应力。
而本领域技术人员为解决上述问题尝试了很多方法，例如，在制造零件的悬空和悬臂部分加入适当的支撑可以有效地限制原型的变形，但在后处理时，去掉内部支撑非常困难，甚至会破坏原型，不仅如此，当支撑去掉后可能会产生较大的反弹，这是由于原型制造时产生的内应力并未释放掉，而仅是靠支撑将易变形部分拉住，一旦支撑去除，这些部分还会产生变形；另外还有技术人员通过设置成形平台温度和环境温度以去除内应力，但随着时间推移，堆积材料冷却、凝固会不断增加，制件周围的温度也同时变化，所以成型环境温度与材料冷却后的温度将发生耦合作用，同样还是会产生翘曲变形。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种自适应预防样件翘曲变形的3D打印方法。其方法包括：首先根据打印材料的材料属性确定打印头加热温度、成型平台温度和成型仓温度；然后利用软件建立样件三维模型，并利用分析软件进行应力分析，之后用切片软件得到样件截面信息，包括截面几何形状、打印头移动路径和位置点对应的打印头的动态移动速度等；最后根据上述所得的切片信息进行打印成型，完成三维样件的制造。
一种自适应预防样件翘曲变形的3D打印方法，包括具体如下步骤：
Ⅰ.确定打印材料的材料属性、打印头加热温度、成型平台温度和成型仓温度。
首先确定材料类别，测定材料材料热特性如玻璃化转变温度(Tg)、热熔融温度(Tm)和热分解温度(Td)等；然后将打印头加热温度设置在(Tm+15℃)～(Td-20℃)范围内，而成型平台温度设置在(Tg-30℃)～(Tg-10℃)，成型仓温度设置在(Tg-50℃)～(Tg-40℃)。
Ⅱ.利用建模软件对待打印的样件进行三维建模，得到样件的几何信息；之后利用分析软件得到样件各位置的应力分布云图。
Ⅲ.切片处理
利用切片软件对上述步骤得到三维几何模型和各位置的应力分布云图进行处理，得到截面信息，包括截面几何形状、打印头自适应移动路径和打印头动态移动速度等。其中打印头的移动速度直接由相应位置点的应力分布云图所决定，应力较大的位置则打印头移动速度较小，应力较小的位置则打印头速度可有所提升。其原理主要是：当打印头移动速度较小时所产生的最大应力和残余应力较小，而随着打印头移动速度逐步增加时，最大应力值和残余应力值也逐渐增加。在本发明实施的过程中位置不同打印头移动速度范围为2mm/s-25mm/S；相邻截面层的速度差不超过8mm/S；同一截面层内速度差小于7mm/S。
相同的截面几何形状的样件，其打印路径不同对相同结构的样件质量精度影响不同，为预防样件的翘曲变形，均选择短边扫描路径。
Ⅳ.3D打印
根据热塑性原料状态选择不同熔融3D打印装备，丝状原料选择送丝机构，粒装原料选择挤出装备。
Ⅴ.后处理
将打印完成的样件连同基板放入一定环境进行最后的去应力处理，温度设置在(Tg-5℃)～(Tg+15℃)范围内，时间为0.5-3h，之后取出放入室温环境自然冷却。
在上述技术方案中，本发明提供的的一种自适应预防样件翘曲变形的3D打印方法，具有以下有益效果：
本发明的一种自适应预防样件翘曲变形的3D打印方法，区别于现有熔融沉积成型，技术人员凭借经验设置相关热参数和打印参数的成型方法预防样件翘曲变形，本发明提出一种自适应预防样件翘曲变形的3D打印方法，在打印过程中根据材料本身的热特性设置打印相关热参数，且在打印过程中在容易产生应力的部位选择自适应打印速度和打印路径，最大程度的保证了打印质量，避免应力导致的翘曲变形，且不会影响样件的成型速度。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明所涉及的一种自适应预防样件翘曲变形的3D打印方法的步骤流程图。
图2为本发明具体实施例中待打印成型的五棱锥样件的三维模型。
图3为本发明具体实施例中待打印成型的五棱锥样件的应力分布云图。
图4为本发明具体实施例中经切片处理后得到的截面信息，其中(a)图为五棱锥中心轴方向上打印头移动速动态度变化趋势图；(b)图为切片处理后得到打印头移动速度路径和动态移动速度趋势图。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合附图对本发明作进一步的详细介绍。
一种自适应预防样件翘曲变形的3D打印方法，具体包括以下步骤：
(1)确定打印材料的材料属性、打印头加热温度、成型平台温度和成型仓温度。
在本实施例中我们选择一种玻璃化转变温度为109℃、熔融温度为170℃和热分解开始的温度为269℃的丝状ABS材料作为打印原材料。在打印过程中我们设置打印头加热温度为210℃，成型平台的温度设置为80℃，成型仓温度设置为62℃。
(2)本实施例中成型一种五棱锥样件，首先利用建模软件三维建模(如图2所示)，之后利用分析软件得到五棱锥样件各位置的应力分布云图(如图3所示)。
(3)切片处理
利用软件建立样件三维模型，之后用切片软件得到样件截面信息(如图4所示)，包括截面几何形状、打印头自适应移动路径和打印头动态移动速度等。本实施例中打印头移动速度范围为2mm/s-25mm/S；相邻截面层的速度差不超过8mm/S；同一截面层内速度差小于7mm/S。
相同的截面几何形状的样件，其打印路径不同对相同结构的样件质量精度影响不同，为预防样件的翘曲变形，均选择短边扫描路径。
(4)3D打印
选用带有送丝机构的熔融挤出3D打印机，层层打印成型三维实体。
(5)后处理
打印完成后将样件连同基板放入温度为110℃的环境中两小时，之后取出放入室温环境下自然冷却。
以上只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例，毋庸置疑，对于本领域的普通技术人员，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，上述附图和描述在本质上是说明性的，不应理解为对本发明权利要求保护范围的限制。

Claims (1)

1.一种自适应预防样件翘曲变形的3D打印方法，具体变形的方法如下：
(A)确定打印材料的材料属性、打印头加热温度、成型平台温度和成型仓温度；
首先确定材料类别，测定材料热特性如玻璃化转变温度(Tg)、热熔融温度(Tm)和热分解温度(Td)；然后将打印头加热温度设置在(Tm+15℃)～(Td-20℃)范围内，而成型平台温度设置在(Tg-30℃)～(Tg-10℃)，成型仓温度设置在(Tg-50℃)～(Tg-40℃)；
(B)利用建模软件对待打印的样件进行三维建模，得到样件的几何信息；之后利用分析软件得到样件各位置的应力分布云图；
(C)切片处理
利用切片软件对上述步骤得到三维几何模型和各位置的应力分布云图进行处理，得到截面信息，包括截面几何形状、打印头自适应移动路径和位置点对应的打印头的移动速度，其中打印头的移动速度直接由相应位置点的应力分布云图所决定，应力较大的位置则打印头移动速度较小，应力较小的位置则打印头速度可有所提升，在本发明实施的过程中位置不同打印头移动速度范围为2mm/s-25mm/S；相邻截面层的速度差不超过8mm/S；同一截面层内速度差小于7mm/S；
相同的截面几何形状的样件，其打印路径不同对相同结构的样件质量精度影响不同，为预防样件的翘曲变形，均选择短边扫描路径；
(D)3D打印
根据热塑性原料状态选择不同熔融3D打印装备，丝状原料选择送丝机构，粒装原料选择挤出装备；
(E)后处理
将打印完成的样件连同基板放入一定环境进行最后的去应力处理，温度设置在(Tg-5℃)～(Tg+15℃)范围内，时间为0.5-3h，之后取出放入室温环境自然冷却。
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