利用蒸汽拋光工藝改進(jìn)FDM零件表面光潔度

供稿人:湯磊 王玲

熔融沉積鋪放工藝是應(yīng)用最廣泛的增材制造技術(shù)之一。FDM技術(shù)通過(guò)在無(wú)夾具的成型平臺(tái)上以薄片的形式沉積半熔融熱塑性材料來(lái)逐層的制造零件。在制造的過(guò)程中，零件材料與支撐材料被一起打印出來(lái)，待零件完成后，通過(guò)手工活化學(xué)的方法將支撐材料從零件上移除。FDM工藝由于其易于實(shí)施、消耗材料少、易于移除支撐、能夠制造功能零件等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛的應(yīng)用于航空航天、汽車(chē)、生物醫(yī)學(xué)等眾多領(lǐng)域。

然而，與其他的增材制造工藝相比，F(xiàn)DM工藝存在打印零件表面粗糙與幾何公差較大的問(wèn)題。現(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)DM打印工藝的層厚度、打印方向、噴嘴直徑和鋪放速度均會(huì)影響打印樣件的表面光潔度，其中層厚度的影響最為顯著。其次，零件的截面形狀、傾斜面角度與相鄰面之間的重疊也會(huì)在一定程度上影響零件的表面光潔度。

本研究主要的研究目標(biāo)是利用蒸汽拋光方法，利用成本較低的丙酮來(lái)改善FDM部件的表面光潔度。研究部件的幾何形狀、密度以及化學(xué)暴露時(shí)間等參數(shù)對(duì)所選部件表面光潔度和尺寸精度的影響。

研究者首先選取了3種不同的基礎(chǔ)幾何形狀，分別為：立方體、圓柱體以及半球體，其具有相同的體積。其次，在打印過(guò)程中，再分別制造出3種具有不同密度的部件原型，厚度均為0.254mm，打印方向均為0°。在化學(xué)處理之前測(cè)量部件的初始表面光潔度以及精確尺寸。在化學(xué)處理環(huán)節(jié)中，先將部件冷藏10分鐘，然后將其暴露于揮發(fā)性丙酮蒸汽環(huán)境中，之后再將其放入冷藏室中冷卻，以固定部件表面流動(dòng)的材料。部件化學(xué)暴露的時(shí)間分別為25、30和35秒。從掃描電子顯微鏡的分析中已經(jīng)能夠看出FDM部件的表面由于過(guò)長(zhǎng)的暴露時(shí)間而導(dǎo)致材料的變性退化。圖1顯示了變性的FDM零件的表面掃描電子顯微鏡圖片（最長(zhǎng)暴露時(shí)間為35秒）。通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)照，分析并確定了FDM部件最佳的表面處理參數(shù)，在尺寸變化可以或略不計(jì)的情況系獲得更好的表面光潔度。圖2為實(shí)驗(yàn)所用的正交試驗(yàn)參數(shù)表。

圖表 1 化學(xué)暴露時(shí)間為a)25秒、b)30秒和c)35秒的FDM零件表面顯微圖片

表格 1 正交試驗(yàn)參數(shù)控制

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在3個(gè)所選擇的的參數(shù)中，僅發(fā)現(xiàn)化學(xué)暴露時(shí)間對(duì)零件的表面光潔度具有顯著影響，零件幾何形狀以及密度對(duì)表面光潔度的影響是不顯著的。同時(shí)，研究發(fā)現(xiàn)隨著化學(xué)暴露時(shí)間的增加，零件的表面光潔度也隨之不斷提高。造成這種現(xiàn)象的原因主要是較長(zhǎng)時(shí)間的化學(xué)暴露給了材料足夠的時(shí)間完成溶解-回流-凝固的循環(huán)。圖3的零件橫向纖維視圖顯示了將FDM零件暴露于丙酮蒸汽中能夠使材料重新流動(dòng)并最終在表面形成一層精細(xì)的結(jié)構(gòu)層。從圖3中可以看出，在FDM零件的表面，回流層的厚度隨著化學(xué)暴露時(shí)間的增加而增加。因?yàn)殡S著暴露時(shí)間的增加，蒸汽滲透的深度也開(kāi)始增加，越多的材料開(kāi)始回流，因此，回流層的厚度變厚。但是，過(guò)長(zhǎng)的暴露時(shí)間可能會(huì)對(duì)機(jī)械性能帶來(lái)其他不可控的影響（如：尺寸精度、拉伸強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、延伸率和硬度等）。

圖表 2 FDM零件暴露于化學(xué)蒸汽環(huán)境a)0秒、b)15秒和c)20秒后的橫向截面顯微圖片

由于回流機(jī)制的存在，F(xiàn)DM工藝中兩個(gè)相鄰層之間的階梯間隙已經(jīng)在化學(xué)暴露的時(shí)候被充分填充，如圖4所示實(shí)驗(yàn)前后零件表面的粗糙度分布以及顯微圖片。

圖表 3 試驗(yàn)前a)后b)FDM零件表面粗糙度分布以及顯微圖片

基于以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果，研究者最終給出了一個(gè)針對(duì)丙酮蒸汽拋光工藝的表面粗糙度與各參數(shù)之間的經(jīng)驗(yàn)公式，并驗(yàn)證了其準(zhǔn)確性。

本文主要研究了利用化學(xué)處理方法改進(jìn)FDM部件表面光潔度的可行性，結(jié)果表明，化學(xué)蒸汽拋光工藝能夠在不影響其尺寸特征的情況下將FDM打印部件的表面光潔度提高到納米水平。研究者試圖從零件幾何形狀、密度以及化學(xué)暴露時(shí)間等參數(shù)中尋找出最優(yōu)的加工條件，但是結(jié)果顯示，只有化學(xué)暴露時(shí)間才會(huì)顯著的影響零件的表面光潔度�；瘜W(xué)暴露引起的材料回流機(jī)制能夠在材料的表面形成薄層，有效的改善材料的表面光潔度。研究者根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果總結(jié)得到了一個(gè)表面光潔度與試驗(yàn)參數(shù)之間的經(jīng)驗(yàn)公式，其預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值之間非常一致。

參考文獻(xiàn)：
Singh, R., Singh, S., Singh, I. P., Fabbrocino, F., & Fraternali, F. (2017). Investigation for surface finish improvement of FDM parts by vapor smoothing process. Composites Part B: Engineering, 111, 228–234

供稿人:湯磊 王玲 供稿單位：機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室