利用蒸汽拋光工藝改進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用最廣泛的增材制造技術之一。FDM技術通過在無夾具的成型平臺上以薄片的形式沉積半熔融熱塑性材料來逐層的制造零件。在制造的過程中，零件材料與支撐材料被一起打印出來，待零件完成后，通過手工活化學的方法將支撐材料從零件上移除。FDM工藝由于其易于實施、消耗材料少、易于移除支撐、能夠制造功能零件等優(yōu)點，被廣泛的應用于航空航天、汽車、生物醫(yī)學等眾多領域。

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題?，F(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是利用蒸汽拋光方法，利用成本較低的丙酮來改善FDM部件的表面光潔度。研究部件的幾何形狀、密度以及化學暴露時間等參數(shù)對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°。在化學處理之前測量部件的初始表面光潔度以及精確尺寸。在化學處理環(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的材料。部件化學暴露的時間分別為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部件的表面由于過長的暴露時間而導致材料的變性退化。圖1顯示了變性的FDM零件的表面掃描電子顯微鏡圖片（最長暴露時間為35秒）。通過實驗對照，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的情況系獲得更好的表面光潔度。圖2為實驗所用的正交試驗參數(shù)表。

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

表格 1 正交試驗參數(shù)控制

實驗結果顯示，在3個所選擇的的參數(shù)中，僅發(fā)現(xiàn)化學暴露時間對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表面光潔度的影響是不顯著的。同時，研究發(fā)現(xiàn)隨著化學暴露時間的增加，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時間的化學暴露給了材料足夠的時間完成溶解-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并最終在表面形成一層精細的結構層。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暴露時間的增加而增加。因為隨著暴露時間的增加，蒸汽滲透的深度也開始增加，越多的材料開始回流，因此，回流層的厚度變厚。但是，過長的暴露時間可能會對機械性能帶來其他不可控的影響（如：尺寸精度、拉伸強度、抗壓強度、延伸率和硬度等）。

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

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

圖表 3 試驗前a)后b)FDM零件表面粗糙度分布以及顯微圖片

基于以上實驗結果，研究者最終給出了一個針對丙酮蒸汽拋光工藝的表面粗糙度與各參數(shù)之間的經(jīng)驗公式，并驗證了其準確性。

本文主要研究了利用化學處理方法改進FDM部件表面光潔度的可行性，結果表明，化學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、密度以及化學暴露時間等參數(shù)中尋找出最優(yōu)的加工條件，但是結果顯示，只有化學暴露時間才會顯著的影響零件的表面光潔度?；瘜W暴露引起的材料回流機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)實驗結果總結得到了一個表面光潔度與試驗參數(shù)之間的經(jīng)驗公式，其預測值與實驗值之間非常一致。

參考文獻：
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：機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室