王志勇

(寧夏共享模具有限公司，寧夏銀川 750021)

1 背景及產(chǎn)品分析

增材制造技術(shù)是近幾年迅速發(fā)展的一類新型智能制造技術(shù)。增材制造技術(shù)種類眾多，熔融沉積成型技術(shù)——FDM是應(yīng)用最為廣泛的技術(shù)之一，因其成型工藝簡單，成型材料相對低廉，被越來越多的企業(yè)或單位所應(yīng)用。

“2025”計劃明確指出智能制造的核心地位。做為轉(zhuǎn)型升級的有力工具，增材制造勢必會掀起一場工業(yè)革命熱潮。隨著國家對環(huán)境保護力度不斷提升，“傻、大、粗”類工業(yè)企業(yè)生存將面臨巨大挑戰(zhàn)，尤其是鑄造領(lǐng)域，工作環(huán)境惡劣、環(huán)保問題嚴重，而鑄造過程中使用的模具大多為木模，其強度難以保證、模型尺寸無法控制[1]；越來越多工業(yè)企業(yè)選擇了技術(shù)成熟、成本低廉的熔融沉積成型技術(shù)。

FDM成型技術(shù)原理：通過將PLA顆粒熔融擠出構(gòu)造單層二維輪廓圖案；構(gòu)造完成一層二維輪廓圖案后，打印平臺下降一個層厚高度，繼續(xù)構(gòu)造下一個二維輪廓圖案，如此循環(huán)直至構(gòu)建出整個實體模型[2]，如圖1所示。

圖1 FDM成型技術(shù)原理

2 FDM模具制作

模具被稱為是“工業(yè)之母”，現(xiàn)如今模具的種類越來越多樣化，如木模、金屬模、消失模等；隨著制造技術(shù)及工藝的不斷地突破飛越，模具制造技術(shù)及工藝也不僅僅限于傳統(tǒng)技術(shù)及工藝；本模具是熔融沉積成型技術(shù)（FDM）制造而成。所使用材料為聚乳酸顆粒,俗稱PLA顆粒。

2.1 具體實施過程

產(chǎn)品三維設(shè)計→STL文件→切片處理→G code文件→FDM成型[3]→機床加工→組裝→表面處理→出廠檢測→產(chǎn)品合格。

2.2 FDM模具制作流程簡介

（1）產(chǎn)品三維設(shè)計：根據(jù)鑄造砂芯，反求出芯盒；再根據(jù)“鑄造用FDM模具”設(shè)計標準，將芯盒設(shè)計分模成適合FDM成型工藝的結(jié)構(gòu)，由此，產(chǎn)品三維設(shè)計完成，如圖2所示。

圖2 FDM模具結(jié)構(gòu)設(shè)計

（2）STL文件：產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計完成后，須將文件格式保存為“.STL”格式。目前，增材制造領(lǐng)域普遍通用的切片文件格式為.STL格式[3]。

（3）切片處理：導(dǎo)入.STL格式文件進入切片軟件，設(shè)置好切片參數(shù)（層厚、噴頭直徑、擠出溫度、打印速度、擠出量等）；進行切片操作，將三維立體結(jié)構(gòu)層切為若干二維平面圖形，如圖3所示。

（4）G code文件：切片完成后，將二維圖形信息轉(zhuǎn)換為設(shè)備運行程序，程序代碼保存為G代碼的形式，如圖4所示。

圖 3 切片處理

圖4 G代碼文件

（5）FDM成型：有了G代碼，F(xiàn)DM設(shè)備就可根據(jù)每一層G代碼程序運行，直至運行完所有層G代碼；產(chǎn)品也就構(gòu)建完成，得到所設(shè)計的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，如圖5所示。

圖5 FDM成型

圖 6 FDM模具機床加工

（6）機床加工：由于打印的FDM模具，尺寸精度不能滿足造芯使用要求，還需對其進行機床加工，保證其尺寸要求，如圖6所示。

（7）油漆、組裝、檢驗、合格：機床加工后，對其進行摸膩、打磨、油漆、組裝；最后，貼點照相檢驗尺寸要求，合格后交付使用。

3 工藝參數(shù)及影響

3.1 溫度

（1）擠出溫度：由于成型系統(tǒng)為工業(yè)級FDM成型系統(tǒng)，擠出距離較長，分為預(yù)熱溫度、熔融溫度、擠出溫度；擠出溫度是指擠出端溫度指數(shù)。對于聚乳酸顆粒來說，預(yù)熱溫度、熔融溫度、擠出溫度分別為：170℃、172℃、175℃（夏季）、177℃（冬季）；長期使用調(diào)整后，發(fā)現(xiàn)上述溫度下PLA材料熔融更充分、均勻。

（2）環(huán)境溫度：指打印空間內(nèi)部溫度，環(huán)境溫度是防止打印模具翹曲變形的影響因素。實踐表明，環(huán)境溫度設(shè)置在45℃左右是合理的。

3.2 層厚

層厚是決定打印模具尺寸精度的工藝參數(shù)[4]。層厚表示每層二維截面之間的厚度，具體可在切片時進行設(shè)置調(diào)整，現(xiàn)可調(diào)范圍為：1mm～3mm。層厚設(shè)置數(shù)值為上限時，模具表面臺階紋就會比較明顯，模具表面粗糙度就越大；層厚設(shè)置數(shù)值為下限時，模具表面臺階紋過度就會比較自然，模具尺寸精度就有所提升。

3.3 噴頭直徑

噴頭直徑的大小也是影響FDM模具尺寸精度的因素之一。噴頭直徑直接影響著打印線寬，直徑越大打印線寬就越寬，尺寸精度就越差；實踐表明，打印FDM模具使用直徑5mm的打印噴頭時，模具尺寸精度較為理想，具體見表1。

表1 噴頭直徑與打印線寬對照表

3.4 打印速度

打印速度是指運行G代碼構(gòu)建單層輪廓的移動速度。打印速度直接影響著FDM模具外表面平整度和質(zhì)量，打印速度過快，F(xiàn)DM模具表面就會產(chǎn)生空洞、凹坑，層與層間的粘接強度也會減弱；過慢，就會堆積形成凸起[5]。根據(jù)產(chǎn)品尺寸設(shè)置打印速度，如表2所示。

表2 打印速度設(shè)置表

3.5 擠出量

單位時間通過噴頭截面材料的體積。同一噴頭直徑，擠出量較大就會造成堆積，形成凸起；擠出量較小就會產(chǎn)生空洞、凹坑，層與層間的粘接強度也會減弱。

3.6 填充

指產(chǎn)品內(nèi)部打印方式，通常采用網(wǎng)格填充。通過對網(wǎng)格間距進行合理設(shè)置，就可獲得質(zhì)量好的產(chǎn)品頂部；間距過大，產(chǎn)品頂部就會塌陷；間距過小，打印耗時增加。

4 結(jié)束語

目前，F(xiàn)DM成型技術(shù)應(yīng)用越來越普遍，本文通過介紹FDM模具成型過程以及工藝參數(shù)對模型表面質(zhì)量產(chǎn)生的影響，提出了較為實用的解決方法。