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基于熔融沉积技术的3D打印产品设计探讨

来源:用户上传      作者:李圆圆 王远

  关键词:熔融沉积技术;3D打印;产品设计
  1熔融沉积技术概述
  熔融沉积技术的原理是将丝状的原材料融化后通过喷头挤出后按路径逐层堆叠起来直至固化成型。相较其他打印技术,在打印层数相同的条件下熔融沉积技术的打印速度更快,同时其打印设备及材料成本也相对较低,工作环境要求低,是目前3D打印产品所使用最广泛的工艺。
  2基于熔融沉积技术的3D打印产品设计意义
  一方面,熔融沉积技术在生产运用中具备3D打印技术可制备传统减材及传统塑料制造工艺无法或难以加工的产品的优势,可以准确地制作出各种结构复杂的产品,大幅拓展了产品或零件的形态设计想象空间;结合逆向工程给高定制、个性化的设计带来了更多可能。另一方面,在设计过程中使用熔融沉积技术进行3D打印成品可以大幅缩减产品开发周期,无需设计制造模具及机械加工等一系列的时间及成本即可得到样品反馈,便于设计师的产品改进,使设计变得更加灵活。
  3基于熔融沉积技术的3D打印产品设计方法
  3.1控制成本
  相较于传统塑料制品工艺,在小批量甚至单件生产中,传统工艺由于要增加高昂的模具成本,3D打印的成本就显得较为低廉,具有较大优势。但在大批量生产中,除去熔融沉积技术在制造复杂结构上的优势,3D打印在生产件均耗时、能源、材料成本上都相对传统工艺较高。
  3.2选择具有实用性的材料
  采用熔融沉积技术的3D打印原材料种类众多,在产品设计中具有较高实用性和巨大潜力。最普遍的成本也最为低廉的材料有PLA和ABS材料,其中PLA的打印性能优于ABS材料,同时,因其成本低廉、无毒、可降解、性能优异等优点成为使用最广泛的材料。但其具备的水解性使得该材料不适用于一部分长期与水有接触的产品,同时其作为一种脂,也要避免与可相溶物的接触。如花盆、水杯等家居产品的设计中,在选择打印材料上要有区分。同时,所有基于熔融沉积技术成型的3D打印材料熔点都比较低,普遍范围在190℃至280℃之间,并且材料本身在70℃左右就会开始变软甚至发生塑性变形,所以在设计中,绝不能在直接接触热源甚至是长期置于热源附近,包括但不限于长期置于阳光直射环境下的产品如白炽或蜡烛灯罩、烟灰缸、插座、隔热垫、汽车内使用物等产品中采用熔融沉积技术成型的产品。此外,为获得更多样化的产品材质,通过掺杂不同添加物可获得仿金属、木材、石材、陶瓷等质感的3D打印材料。同时,添加后的材料与纯粹的PLA材料力学性能有较大差异,应根据实际材料性能选用。
  3.3控制基底翘曲
  熔融沉积技术常选用热塑性材料,其材料加工过程中需从固态到液态,再到固态的变化,在此过程中由于相态与温度变化,材料因收缩率不均匀极易导致产品底部产生翘曲。翘曲程度与材料打印性能和基底尺寸直接有关,故而,在产品设计时,要结合产品选材进行结构设计,在实际加工中,对于易翘曲的材料会使用热床辅助打印,一定程度上可以避免翘曲发生或降低翘曲程度,但对基底尺寸较大的零件作用较为有限。所以在设计产品的结构时应该保证避免基底部分为较大平面,對基底尺寸进行控制。对于零件基底面积由于功能或力学性能要求不可以缩减面积时,可以采用基底面积分割或零件切割打印后组装的设计。
  3.4控制表面须状毛刺
  在打印过程中,打印机喷头的温度会一直保持在稍高于材料融点左右,此时材料的流动性较高,喷头在挤出融化材料的同时还在按路径行走,材料如果吸附在上一层上,则顺利成型;但如果打印喷头空走,材料由于惯性流出而未涂覆在新层表面上,冷却固化后这部分材料就会形成表面须状毛刺,如图1所示。在产品结构设计中,应在了解打印机的切片逻辑前提下,尽量减少会造成喷头空走路径的结构,避免将表面质量要求较高的产品设计为喷头行走路径走空的外沿,进而消除表面须状毛刺。
  3.5控制表面阶梯层
  由于熔融沉积技术、工艺成型技术表面精度存在误差,产品表面会显示出类似“阶梯”的层表面,如图2所示。这是工艺成型原理所造成的,因此只能减小,不能消除。通过降低打印层高可有效缩小“阶梯”层,以获得更高表面精度,但当模型表面在平行工作台的方向曲率过大或模型表面与成型方向之间的夹角角度较大时,缩减层高的方法对“阶梯”效应改善效果则较小,如图3所示。此外,设计模型的最高处为锥体、回转体顶点、曲面顶点等点或极小面积结构时,打印结束时材料溢出而形成的痕迹也影响表面精度,因此在设计模型时,需在考虑设计模型高度时,避免顶点材料溢出,进而保证产品表面精度。
  3.6控制支撑结构痕迹
  3D打印因由底层逐层向上堆叠,故无法直接打印悬空结构,需在悬空结构下方打印支撑结构,如图4所示。支撑结构与主体模型分离时会在表面留下未分离干净的支撑残余痕迹,严重影响主体模型表面质量。在设计模型时,应结合产品实际减少大面积悬空结构设计,悬空结构无法避免时,可尝试将零件拆分设计或打印,使悬空结构减少。除去悬空结构外,倾斜面打印也存在支撑结构问题,与悬空结构不同的是倾斜面与水平面夹角较大时,材料能较好熔覆,不产生悬空滴落现象,如图5所示。一般打印切片软件会以是否大于45°为界限大致判断增加支撑的必要性,但不产生滴落的角度实际打印中会小于45°,但不同材料特性不同,应在设计前打印不同角度测试模型以获得相对准确的极限倾角。根据倾斜面的特性,可以考虑在设计结构时,将悬空结构置换为倾角较大的倾斜面、连续曲面结构,或由这两种表面组成的镂空结构,可以有效减少支撑结构以避免支撑痕迹。
  3.7打磨抛光和上色
  3.7.1打磨抛光
  熔融沉积技术的打印尺寸精度本身也相对其他工艺较低,同时阶梯、毛刺、工艺自身缺陷等原因也使得产品表面质量较低,故而需对熔融沉积技术产品进行抛光后处理。抛光工艺主要包括砂纸手工打磨、珠光处理、震动抛光及化学抛光等几种。手工打磨方式最简单易行,使用广泛,但耗时较长;珠光处理是使用高速喷射打磨介质的方式来进行抛光,抛光效果较好;震动抛光是利用震动使打磨介质与待打磨的表面之间的碰撞与摩擦来进行抛光,珠光处理与震动抛光都需要有专用设备;3D材料抛光液抛光是化学抛光法中的一种,通过溶解表面材料来降低表面粗糙度,但易使材料表面强度下降。
  3.7.2上色
  上色的方式主要有手涂、喷漆、浸染、电镀上色等,此外还有自动配色打印,但其机价格高昂。主要限制上色工艺选择的因素只与有材料和染剂间的吸附性有关,在产品外观设计时应结合起来进行工艺选择。
  4结语
  熔融沉积技术为3D打印产品设计提供了更多的形态可能与快速成型反馈的便利,在产品设计中具有广阔的前景。它的工艺特点决定了其适用于产品结构在传统减材工艺下无法或难以加工或小批量、定制性较高的产品,同时其采用材料与精度也对产品设计有一定局限性。根据3D打印工艺特性和产品使用要求可对产品进行合理的结构设计,遵循基底尺寸应合适,减少支撑结构的使用,顶部避免小面积结构,打印逻辑减少空走行程等设计原则可以有效提高产品表面质量,同时合理选择材料、工艺、后处理方式能进一步优化产品质量。
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