設(shè)計(jì)制造工程師必看！3D打印零部件產(chǎn)生形變研究

魔猴君  知識(shí)堂   2202天前

3D打印零件發(fā)生變形是一個(gè)日常中較為棘手的問(wèn)題，雖然3D打印機(jī)是可靠的，但并不意味著它不會(huì)出現(xiàn)這個(gè)問(wèn)題：3D打印零件因熱變形而發(fā)生翹曲。當(dāng)塑料變熱時(shí)，它們會(huì)膨脹。當(dāng)它們冷卻時(shí)，它們會(huì)縮小。由于FDM技術(shù)的3D打印大多會(huì)使用熱塑性塑料，所以幾乎每個(gè)FDM 3D打印機(jī)都會(huì)發(fā)生這種情況。

在打印機(jī)方面，有兩種方式可以解決翹曲問(wèn)題：加熱打印板或加熱外殼。這兩種解決方案使得零件可以保持一定溫度，所以它不會(huì)變涼，因此不會(huì)變形。其他3D打印機(jī)將有一個(gè)可以保持熱量的外殼，有可能利用一種粘合劑可以用于構(gòu)建板，這通常會(huì)減少翹曲。此外，讓零件冷卻到室溫，然后再將其移除將減少翹曲，因?yàn)榱慵鋮s時(shí)仍粘附在打印板上。

但是，這不是并非與打印系統(tǒng)有關(guān)，而是更多的關(guān)乎零件原型設(shè)計(jì)技巧。“3D打印機(jī)可以打印任何東西”的說(shuō)法是不正確的，因?yàn)?D打印機(jī)通常具有與其他制造方法一樣多的限制條件并且必須遵循相關(guān)產(chǎn)品設(shè)計(jì)原則。舉例來(lái)說(shuō)，F(xiàn)DM技術(shù)3D打印機(jī)可以創(chuàng)建的最小打印尺寸取決于噴嘴直徑和龍門(mén)架精度。無(wú)論如何，許多零件的翹曲僅僅是因?yàn)镕DM 3D打印機(jī)的材料限制以及未針對(duì)3D打印優(yōu)化的零件設(shè)計(jì)。

我設(shè)計(jì)了一個(gè)簡(jiǎn)單的梯形棱鏡，很容易發(fā)生翹曲（原因很快就會(huì)發(fā)現(xiàn)）。這里是Eiger軟件下的三維模型：

（用于測(cè)試翹曲的樣件。長(zhǎng)而薄的幾何形狀和傾斜表面使其更容易翹曲）

這是從打印板脫落后的部分變形零件。為了展現(xiàn)出翹曲程度，我在桌子的一邊夾住了零件，觀察了另一邊的翹曲：

（正如你所看到的一樣，這個(gè)3D打印零件在任何一側(cè)都會(huì)彎曲，從而確定其底面不平坦）

以下五個(gè)提示可用作3D打印設(shè)計(jì)指南，以便您可以在設(shè)計(jì)過(guò)程中減少3D打印零件的翹曲問(wèn)題。

1、圓角邊緣和圓形自然形狀的設(shè)計(jì)

3D打印零件發(fā)生翹曲時(shí)，這是由于零件邊緣周?chē)查g產(chǎn)生了大量的熱。這種熱力矩是由于當(dāng)FDM技術(shù)3D打印機(jī)放置長(zhǎng)絲時(shí)，它們將塑料加熱到半流體狀態(tài)，然后在擠出后將其冷卻。 當(dāng)大多數(shù)材料冷卻時(shí)，他們會(huì)縮小體積。在FDM 3D打印機(jī)的情況下，這意味著每個(gè)“材料線(xiàn)”都要縱向收縮。通常，這不足以影響打印托盤(pán)的附著力，但隨著多層材料的添加，這種力量會(huì)增加，從而使零件翹曲。對(duì)于長(zhǎng)而薄的零件，這是特別常見(jiàn)的，就像我在這篇文章中使用的測(cè)試片一樣，因?yàn)樗目v向收縮。

當(dāng)更多的角落被添加到想要縮小的線(xiàn)段時(shí)，由于該位置處的應(yīng)力累積，拐角將會(huì)剝落，如下圖所示：

（來(lái)源于每個(gè)邊緣的收縮力加起來(lái)，就會(huì)在拐角處發(fā)生彎曲）

銳角產(chǎn)生應(yīng)力集中，所以零件邊角部分是引起翹曲的最常見(jiàn)的位置。在這些角上添加一個(gè)弧度角可以減少應(yīng)力集中，因?yàn)閳A角會(huì)把收縮力有效分散時(shí)，從而使得應(yīng)力得到均勻分布。一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)工程師設(shè)計(jì)零件通常最終形狀為矩形時(shí)，最初接觸打印托盤(pán)時(shí)形狀更為圓形的橫截面將減少翹曲，這也是最容易加工的。但從一開(kāi)始就設(shè)計(jì)更多圓形，自然形狀和表面將減少翹曲，因?yàn)樗稚⒘藟毫Ψe聚。下面，我通過(guò)在零件邊角添加一個(gè)圓角來(lái)測(cè)試打印件。

（調(diào)整與打印托盤(pán)垂直的邊緣部分可減少由翹曲引起的應(yīng)力集中）

通過(guò)這個(gè)簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)修改，邊緣上的圓角也會(huì)顯著減少翹曲。

（添加圓角可減少在拐角處產(chǎn)生的應(yīng)力，從而減少由熱變形引起的力）

另一個(gè)關(guān)于打印件上添加圓角的提示 - 在零件的底部邊緣添加一個(gè)圓角將使您可以更輕松地將其從打印托盤(pán)上移除 - 它可以讓您獲得一個(gè)良好的切入點(diǎn)，以便讓刮刀進(jìn)入！

2、打印底面較大的零件

隨著材料層疊在一起，這些應(yīng)力倍增。如果剛打印出的層稍大一點(diǎn)，那么就會(huì)有更多想要縮小的材料，所以收縮力會(huì)進(jìn)一步增加。這意味著3D打印最糟糕的形狀是隨著上升而橫截面變大的形狀，并且在長(zhǎng)長(zhǎng)的直線(xiàn)段之后形成尖角，就像我們的彎曲測(cè)試一樣！

盡管零件不會(huì)總是在其底層上發(fā)生彎曲，只要這些幾何體存在形變條件存在就會(huì)發(fā)生彎曲。 由于相同的原因，即使它們被支撐，經(jīng)常長(zhǎng)的擠出懸垂部分也會(huì)卷起來(lái)，如下面這個(gè)薄的傾斜懸垂部分所示：

（盡管零件沒(méi)有在底部彎曲，但是長(zhǎng)而疊加的輪廓導(dǎo)致該零件在懸垂處卷起，打印失敗）

所以當(dāng)3D打印零件時(shí)，重要的是嘗試確定先打印最大的面（底部），因?yàn)殡S著堆疊層頂部的橫截面變大，零件會(huì)傾向于翹曲。此外，零件接觸打印托盤(pán)的表面積越大越好，因?yàn)楦蟮谋砻娣e“粘”在托盤(pán)上會(huì)是零件更加牢固。我按照如下所示的方向打印了截?cái)嗟奶菪误w:

（3D打印零件的方向非常重要 - 只要延續(xù)打印方向進(jìn)行設(shè)計(jì)就可以解決很多問(wèn)題）

正如您所期望的那樣，不會(huì)翹曲：

（零件的任何一側(cè)都不會(huì)彎曲，因?yàn)閷盈B方式的改變減少了零件上的收縮力）

雖然這是一個(gè)簡(jiǎn)單的例子，但是對(duì)于這樣的零件，可以很清楚的了解到應(yīng)該以最大面朝下的方式打印，在某些情況下它不是很明顯，所以請(qǐng)?jiān)谠O(shè)計(jì)零件時(shí)重點(diǎn)考慮構(gòu)建方向。

3、添加邊緣

可以使用“邊緣”工具將邊緣添加到零件中，這基本上會(huì)圍繞零件在打印托盤(pán)上添加一些額外的接觸面積。

（在“高級(jí)設(shè)置”下選擇“使用邊緣”，為您的零件添加邊緣）

這減少了翹曲或卷曲的原因有兩個(gè)。

其一，該零件具有“延伸”底部表面的特性，這意味著與打印托盤(pán)的接觸面比通常更大。二，當(dāng)3D打印零件的翹曲轉(zhuǎn)移問(wèn)題延伸到零件邊緣時(shí)，這將會(huì)是最糟糕的情況。良好的零件邊緣還為支撐結(jié)構(gòu)提供了更好的表面。我們的支撐結(jié)構(gòu)是細(xì)長(zhǎng)的，正如我上面所解釋的那樣，它們確實(shí)需要良好的接觸。如果你的零件下面有很多支撐材料，那么這個(gè)邊緣將為支撐結(jié)構(gòu)提供一個(gè)良好的表面。支撐材料不會(huì)卷曲得太多，因?yàn)樗鼈儠?huì)粘在零件邊緣上 - 一個(gè)平坦的大面積表面粘在打印托盤(pán)上。 以下是對(duì)零件邊緣部分的測(cè)試：

（添加額外的零件邊緣能夠增加與打印托盤(pán)的接觸面積來(lái)減少3D打印部件翹曲）

4、嘗試增加零件邊緣

有時(shí)，由于打印托盤(pán)上的接觸點(diǎn)幾何形狀各異，零件仍然會(huì)因?yàn)檫吘壊粔虼蠡驈澢蛔愣a(chǎn)生翹曲。在這些特殊情況下，可能有必要設(shè)計(jì)額外的邊緣加以處理。在這些情況下建議的做法是在零件的所有角落添加薄而圓的“圓點(diǎn)”，以便在容易發(fā)生翹曲的關(guān)鍵點(diǎn)位提供更多與打印托盤(pán)的表面區(qū)域接觸。

（有時(shí)候，設(shè)計(jì)額外的零件邊緣對(duì)于減少3D打印零件形變是非常有必要的）

我自己設(shè)計(jì)的零件邊緣解決了與我們的預(yù)制邊緣的翹曲問(wèn)題，并且后續(xù)打印更復(fù)雜的零件時(shí)可以派上用場(chǎng)：

（零件兩側(cè)的“點(diǎn)”在零件的邊緣處提供更多的接觸面積，并且可以輕松去除）

5、將復(fù)合纖維添加到您的零件

Mark Two的獨(dú)特功能之一就是它能夠在零件內(nèi)部鋪設(shè)纖維，以制造出更堅(jiān)固的3D打印零件。由于Markforged 3D打印機(jī)具有復(fù)合材料功能，為了減少零件的翹曲，可以將纖維添加到零件底層的位置以增加其剛度。

 （Eiger軟件中的彎曲測(cè)試零件，頂部和底部均鋪設(shè)有纖維）

這實(shí)質(zhì)上迫使零件底層變平，使它們幾乎不可能翹曲。請(qǐng)記住通過(guò)在零件的頂部和底部創(chuàng)建纖維來(lái)平衡復(fù)合材料的應(yīng)力，以?xún)?yōu)化扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度。正如您所看到的，由于沒(méi)有對(duì)原始零件進(jìn)行設(shè)計(jì)更改，測(cè)試打印樣件是否保持平整：

（由于增加的剛度，添加纖維將使得打印層保持平整不翹曲）