三维打印工艺对表面影响

固体无模成型(solidfreeformfabrication，SFF)方法是先进制造技术之一，作为一种新兴的制造技术它是集机械、电子、材料、化学等于一体的快速制造技术。SFF技术就是利用三维CAD的数据，通过快速成型机，将一层层的材料堆积成实体原型，无需使用任何刀具、夹具和模具，快速、直接、精确的将产品的设计数据转化成模型。目前主要的SFF技术有以下几种方法:1)熔融沉积成型;2)光固化立体制造;3)选择性激光烧结;4)叠层制造;5)三维打印。其中三维打印技术在成型速度、环境污染、能量消耗、材料使用、精度和强度等方面有独特的优越性，因此三维打印技术成为最具生命力的快速制造技术之一。使用三维打印可以制造出不同材料的零件，包括合金、陶瓷、聚合物、脂类材料等，这些材料可以制备出具有不同特征的样件，土耳其的Turker和德国的Godlinski采用IN-718合金粉末进行三维打印为快速模具制造出高密度的打印件［1］;美国的KathyLu和WilliamT等人使用TiNiHf形状记忆合金粉末来打印网宽为300μm的细小网状结构的零件，得到了具有较高完整性和尺寸精度的打印件［2］。新加坡的C．X．F．Lam和X．M．Mo采用3DP技术用淀粉基聚合物打印出具有不同孔隙结构的支架，用于组织工程［3］。美国的ChristopherB．Williams和JoeK．Cochran于2010使用马氏体时效钢粉末，利用气雾颗粒的多孔性打印零件，然后在还原性气体中进行还原烧结，制造出了具有高强度轻质量的多孔隙金属打印件［4］。为了使制造出来的零件具有更好的精度、强度和微观形貌，许多研究者在材料的配置和制造工艺的参数上进行了优化。其中美国的KathyLu和MatthewHiser研究了采用不同大小的粉末颗粒的TiNiHf打印具有细小复杂形状的样件，来研究粉末颗粒大小对样件性能的影响［5］。MohammadVaezi研究了在不同铺粉层厚度和粘结剂饱和度下打印的样件的抗拉强度和弯曲强度，通过实验得出了一组最优的铺粉厚度和饱和度［6］。还有一些用于提高打印件表面性能和机械性能的方法就是通过渗透或者烧结，这些都是在样件打印完成后的基础上进行的后续处理。泰国的JintamaiSuwanprateeb研究了一种双渗透法来增加样件的机械特性［7］。Turker等人还研究了采用不同层厚的铺粉厚度打印样件后不同的烧结温度对零件表面形貌和机械性能的影响［1］。同济大学的李晓燕等人自主开发了一台三维打印机，研究了三维打印成型的石膏基粉末优化配方［8］和印刷工艺参数对打印件性能的影响，确定了扫描模式、铺粉层厚、辊子转速以及辊子平移速度的最佳组合［9］。本文以提高三维打印零件的表面质量为目的，使用Zcorp公司生产的Zrinter310三维打印机，以石膏基粉末ZP130为基材，以ZB58为粘结剂，采用不同的饱和度、铺粉层厚度来打印不同放置方位的长方体，测量制件的表面微观形貌来确定表面精度，以寻找最优的饱和度水平、铺粉厚度和打印件放置方位的组合。

1三维打印技术

1.1工作原理三维打印是以某种材料的粉末为原料，铺粉滚子将供粉箱中的粉末均匀的铺在建造箱中，然后计算机控制的打印头开始按照二维截面轮廓的形状喷洒粘结剂，形成零件截面形状后，供粉活塞上升一个截面厚度的距离，建造活塞下降一个截面厚度的距离，铺粉滚子继续铺粉，喷头接着按照截面轮廓信息喷洒粘结剂，如此反复最后堆积成三维实体［10］。三维打印工作原理图如图1。1.2材料使用ZCorp公司生产的Z130粉末，其粒度分布如图2所示。由图2可以看出粉末粒子的平尺寸为40.8μm，粉末粒子尺寸在10μm～40μm范围内占43%，粉末粒子尺寸保持在此范围有利于粉末的铺开［11］。与ZP130粉末相匹配的粘结液为水基粘结剂ZB58。打印材料的性能对打印件的机械性能和表面性能有直接或间接的影响，本文中有关材料的性能如下:1)堆积密度粉末的堆积密度又称假密度，它与很多因素有关，其中包括粉末的粒度大小、粉末的形状和粒度的分布等因素。堆积密度ρf指的是由铺粉运动产生的已知体积的粉末的重量Mf和堆积体积Vf之比，计算公式为1三维打印技术

1.1工作原理三维打印是以某种材料的粉末为原料，铺粉滚子将供粉箱中的粉末均匀的铺在建造箱中，然后计算机控制的打印头开始按照二维截面轮廓的形状喷洒粘结剂，形成零件截面形状后，供粉活塞上升一个截面厚度的距离，建造活塞下降一个截面厚度的距离，铺粉滚子继续铺粉，喷头接着按照截面轮廓信息喷洒粘结剂，如此反复最后堆积成三维实体［10］。三维打印工作原理图如图1。1.2材料使用ZCorp公司生产的Z130粉末，其粒度分布如图2所示。由图2可以看出粉末粒子的平尺寸为40.8μm，粉末粒子尺寸在10μm～40μm范围内占43%，粉末粒子尺寸保持在此范围有利于粉末的铺开［11］。与ZP130粉末相匹配的粘结液为水基粘结剂ZB58。打印材料的性能对打印件的机械性能和表面性能有直接或间接的影响，本文中有关材料的性能如下:1)堆积密度粉末的堆积密度又称假密度，它与很多因素有关，其中包括粉末的粒度大小、粉末的形状和粒度的分布等因素。堆积密度ρf指的是由铺粉运动产生的已知体积的粉末的重量Mf和堆积体积Vf之比，计算公式为ρf=MfVf(1)2)粉末的真实密度由于粉末粒子之间存在着空隙，因此粉末的堆积体积必定大于实际体积，真实密度一定大于堆积密度。真实密度是指单位体积内净粉末所具有的密度，它的测量方法为:将粉末装入重量为M1体积为V的比重瓶中，当装入粉末的体积达到比重瓶的三分之二时进行称量，粉末和比重瓶的质量为M2。最后往比重瓶中注入已知密度为ρy的液体直到注满为止，进行称量质量为M3，最后可以计算出粉末的真实密度ρ

2试验

2.1试验方法为了测量三维打印样件表面微观形貌，首先采用长方体形状来进行三维打印。在Pro/E中建立长方体模型，规格为80mm×10mm×4mm，将图形文件以STL格式保存，导入ZPrint7.10软件，按照图3所示的放置方位进行打印，其中长方体的放置方位从左到右设为位置左、位置中和位置右。设置三维打印参数。首先进行粉末设置，本文研究中选用Z130为基础粉末进行粉末设置，选择铺粉层厚(0.1mm，0.0875mm)，输入粘结剂饱和度百分数(70%，100%，130%)，并将制件以不同的放置方位进行试验，其它参数均取相同值。3DP打印机工作区如图4所示。制造箱内一次可以放置不同摆放位置的3个制件，试验设计见表1，打印参数组合见表2。其中，α表示以铺粉厚度为0.1mm，粘结剂饱和度水平为100%来打印制件。其它参数β，γ，δ，ε，ζ表示不同的铺粉厚度和粘结剂饱和度水平的组合。打印出的18组长方体如图5所示，将打印好的长方体在打印机中干燥60min，然后在室温下放置12h后去除粉末。使用LeicaDCM3D双核三维轮廓仪来测量长方体微观结构，LeicaDCM3D采用白光垂直扫描干涉技术模式来测量表面高度的，沿着Z轴方向进行逐层扫描测量，可获得各层中每个像素位置的表面高度，扫描完后得到整个平面中各点像素位置的表面高度。对于每个长方体分别测量3个不同的面，令80mm×10mm的平面为A面，80mm×4mm平面为B面，10mm×4mm的平面为C面。

2.2测量结果将制件在LeicaDCM3D三维轮廓仪上进行测量后得到一系列三维形貌评定参数，如:算术平均偏差Sa，最大高度Sz，均方根偏差Sq，偏斜度Ssk，陡峭度S等。要比较打印件表面的微观形貌需比较测量表面的均方根偏差Sq即可，计算公式为(5)式中:A为评定区域面积;Z(x，y)为评定轮廓高度。经测量得到在制造箱内不同放置方位(左、中、右)制造的所有制件A面的均方根偏差如图6所示。由图6可以知道A面的表面形貌最好的面在左侧放置的制件上，均方根偏差保持在10μm20μm之间。取图6中每条折线的最小均方根偏差值，对应的三维形貌图如图7所示。由8图可以知道B面的表面形貌最好的面在右侧放置的制件上，均方根偏差保持在13μm～18μm之间。取图8中每条折线的最小均方根偏差值，对应的三维形貌图如图9所示。图9中的图9a)、图9b)和图9c)分别将左侧、中间和右侧放置的制件的表面形貌最好的B面进行比较，显然β-右-B最好。由10图可知C面的表面形貌最好的面在中间放置的制件上，均方根偏差保持在13μm～20μm之间。图11中的图11a)～图11c)分别将左侧、中间和右侧放置的制件的表面形貌最好的C面进行比由上面三幅折线图可知:无论以何种方式放置打印件与制造箱X-Y面平行的面表面形貌较好，而与X-Z和Y-Z面平行的面表面形貌较差，因为这两个平面是由在Z向铺粉和粘结而形成的，在与这两个面平行的面中可以看到层状轮廓，因此表面粗糙度比较大。在打印长方体零件时将表面粗糙度要求较高的重要平面尽量放置成与X-Y面平行的方向。将相同的铺粉层厚和饱和度组合打印的所有制件的均方根偏差之和求平均值，然后进行比较得到的结果如图12所示。由图12可以看出饱和度为70%的打印参数制造的打印件的表面形貌最好，这是因为饱和度越大，单位体积的粉末使用的粘结剂体积越多，而喷射出的粘结剂在纵向渗透至层底部后，上一打印层限制了粘结剂的进一步渗透。而在横向则没有阻止横向渗透的限制，因此在恒定的层厚下，饱和度越小喷射的粘结剂体积越少，因而粘结剂的横向渗透就比较小，所以表面形貌也越好。同时，从图中可得到铺粉层为0.1mm时的表面形貌较好，这是因为铺粉层越薄铺粉次数越多，每次铺粉体积减少，而喷射的粘结剂体积一定，这样导致粘结剂的横向渗透量增大，其次由于铺粉层较厚利于粉末的铺开，因此打印出来的制件表面形貌较好。测量所有长方体的长、宽、高，分别计算出制造，然后分别计算出制造室中间打印的制件的长，宽，高测量值的平均值x，最后计算出右侧放置的制件的x3值。不同方位打印的制件方差公式为由图13可以得出在建造室左侧放置的打印件的测量尺寸与期望尺寸的偏差最小，中间放置的打印件的测量尺寸与期望尺寸的偏差最大，这是因为中间放置的长方体的最长边与Z轴平行，打印该位置放置的长方体使用的铺粉层为900层，由此引入的误差经过累积使得它的最长边的测量长度与期望尺寸相差较大，且在此方向上放置的长方体的打印效率最低，周密等人在这方面已经验证［12］，因此应尽量避免零件在此方向的放置。

3结论

针对ZP130粉末，在两种铺粉厚度(0.1mm、0.0875mm)和3种粘结剂饱和度水平(70%、100%、130%)条件下:1)铺粉层较厚时打印的制件表面形貌较好。2)饱和度越小制件的三维形貌越好。3)长方体零件放置位置如制造室左侧放置的位置时所打印的制件的三维形貌最好。在铺粉层厚为0.1mm，饱和度为70%在建造室左侧放置的打印件的A面形貌最好。使用这组参数制造出来的打印件的表面均方根偏差为12.2μm。而饱和度越高铺粉厚度越厚打印出的零件表面均方根偏差越大，因此在使用三维打印机在制造零件时应选用较小的饱和度和适当的铺粉层厚，这样才能制造出表面形貌较好的零件。