利用蒸汽抛光工艺改进FDM零件表面光洁度

供稿人:汤磊 王玲

熔融沉积铺放工艺是应用最广泛的增材制造技术之一。FDM技术通过在无夹具的成型平台上以薄片的形式沉积半熔融热塑性材料来逐层的制造零件。在制造的过程中，零件材料与支撑材料被一起打印出来，待零件完成后，通过手工活化学的方法将支撑材料从零件上移除。FDM工艺由于其易于实施、消耗材料少、易于移除支撑、能够制造功能零件等优点，被广泛的应用于航空航天、汽车、生物医学等众多领域。

然而，与其他的增材制造工艺相比，FDM工艺存在打印零件表面粗糙与几何公差较大的问题。现有研究发现，FDM打印工艺的层厚度、打印方向、喷嘴直径和铺放速度均会影响打印样件的表面光洁度，其中层厚度的影响最为显著。其次，零件的截面形状、倾斜面角度与相邻面之间的重叠也会在一定程度上影响零件的表面光洁度。

本研究主要的研究目标是利用蒸汽抛光方法，利用成本较低的丙酮来改善FDM部件的表面光洁度。研究部件的几何形状、密度以及化学暴露时间等参数对所选部件表面光洁度和尺寸精度的影响。

研究者首先选取了3种不同的基础几何形状，分别为：立方体、圆柱体以及半球体，其具有相同的体积。其次，在打印过程中，再分别制造出3种具有不同密度的部件原型，厚度均为0.254mm，打印方向均为0°。在化学处理之前测量部件的初始表面光洁度以及精确尺寸。在化学处理环节中，先将部件冷藏10分钟，然后将其暴露于挥发性丙酮蒸汽环境中，之后再将其放入冷藏室中冷却，以固定部件表面流动的材料。部件化学暴露的时间分别为25、30和35秒。从扫描电子显微镜的分析中已经能够看出FDM部件的表面由于过长的暴露时间而导致材料的变性退化。图1显示了变性的FDM零件的表面扫描电子显微镜图片（最长暴露时间为35秒）。通过实验对照，分析并确定了FDM部件最佳的表面处理参数，在尺寸变化可以或略不计的情况系获得更好的表面光洁度。图2为实验所用的正交试验参数表。

图表 1 化学暴露时间为a)25秒、b)30秒和c)35秒的FDM零件表面显微图片

表格 1 正交试验参数控制

实验结果显示，在3个所选择的的参数中，仅发现化学暴露时间对零件的表面光洁度具有显著影响，零件几何形状以及密度对表面光洁度的影响是不显著的。同时，研究发现随着化学暴露时间的增加，零件的表面光洁度也随之不断提高。造成这种现象的原因主要是较长时间的化学暴露给了材料足够的时间完成溶解-回流-凝固的循环。图3的零件横向纤维视图显示了将FDM零件暴露于丙酮蒸汽中能够使材料重新流动并最终在表面形成一层精细的结构层。从图3中可以看出，在FDM零件的表面，回流层的厚度随着化学暴露时间的增加而增加。因为随着暴露时间的增加，蒸汽渗透的深度也开始增加，越多的材料开始回流，因此，回流层的厚度变厚。但是，过长的暴露时间可能会对机械性能带来其他不可控的影响（如：尺寸精度、拉伸强度、抗压强度、延伸率和硬度等）。

图表 2 FDM零件暴露于化学蒸汽环境a)0秒、b)15秒和c)20秒后的横向截面显微图片

由于回流机制的存在，FDM工艺中两个相邻层之间的阶梯间隙已经在化学暴露的时候被充分填充，如图4所示实验前后零件表面的粗糙度分布以及显微图片。

图表 3 试验前a)后b)FDM零件表面粗糙度分布以及显微图片

基于以上实验结果，研究者最终给出了一个针对丙酮蒸汽抛光工艺的表面粗糙度与各参数之间的经验公式，并验证了其准确性。

本文主要研究了利用化学处理方法改进FDM部件表面光洁度的可行性，结果表明，化学蒸汽抛光工艺能够在不影响其尺寸特征的情况下将FDM打印部件的表面光洁度提高到纳米水平。研究者试图从零件几何形状、密度以及化学暴露时间等参数中寻找出最优的加工条件，但是结果显示，只有化学暴露时间才会显著的影响零件的表面光洁度。化学暴露引起的材料回流机制能够在材料的表面形成薄层，有效的改善材料的表面光洁度。研究者根据实验结果总结得到了一个表面光洁度与试验参数之间的经验公式，其预测值与实验值之间非常一致。

参考文献：
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:汤磊 王玲 供稿单位：机械制造系统工程国家重点实验室