三维打印工艺在多容器杯制造中的应用

罗立晟，沈嘉陵

（1.武汉工程大学光电信息与能源工程学院，武汉 430070；2.武汉华科三维科技有限公司，武汉 430070）

0 引言

本文主要研究一种多容器杯杯身的成形工艺。多容器杯如图1所示，由杯身、杯盖、大小盖子等组成[1]。其杯身为塑料材质，壁厚为2 mm，由于包含4 个腔室，腔室之间存在隔热层，内部结构复杂、成形难度较大。若采用注塑成形制造，存在脱模困难的问题；采用吹塑成形制造，则吹塑毛坯制造比较困难；而采用其他塑料成形工艺，又有制品成形精度低、生产效率低等不足。由于三维打印采用离散—堆积原理制造，成形时不受产品结构形状的限制，并且具有成形精度较高、制造周期短的优点，且多容器杯的生产批量不大，所以考虑用三维打印的方法制造此杯身。

三维打印是一种增材制造技术，是依据三维数字化模型，通过自动化技术将材料逐层累加制作三维物体的过程[2]。美国《麻省理工科技评论》将金属三维打印评为“2018年度世界十大突破技术”第一名。经过20多年的发展，目前，增材制造技术主要有立体平板印刷（SLA）、选择性激光烧结（SLS）、熔丝沉积成型（FDM）、分层物体制造（LOM）及三维打印（TDP）等，成形的材料有金属材料、非金属材料、复合材料、生物材料等[3-4]。多容器杯杯身拟采用选择性激光烧结（SLS）技术进行成形，激光烧结原理[5-7]如下：首先在加工平面上利用铺粉辊均匀、密实地铺上一层粉末，形成一个微米级厚度的粉床；然后激光在预设好的轨迹上进行扫描，扫描轨迹和所加工零件的截面形状相同，激光的热量会使粉床上的粉末材料熔化并和之前的材料发生黏接，当一层扫描完成后，重新铺粉、烧结，这样就可以逐层进行成形；最后去除用于支撑的多余粉末便可以得到所需零件。

图1 多容器杯

由于选择性激光烧结（SLS）成形工艺“逐层烧结”的成形特点，易出现翘曲、收缩、制件力学性能差等成形缺陷，而成形工艺参数对制件的表面质量、形状精度、强度等方面有重要影响，选择合理的工艺参数对选择性激光烧结成形至关重要[8]。因此，需要对多容器杯杯身的成形过程进行研究，探讨成形时出现的质量问题及成形工艺参数对杯身质量的影响规律，找到合理的工艺参数，从而得到合格的制件。

1 多容器杯杯身选择性激光烧结实验过程

采用HKP320 成形机进行多容器杯杯身的SLS 成形，使用CO2激光器，最大功率为55 W，一次成型最大尺寸为320 mm 320 mm 650 mm，最大扫描速度为6 m/s，分层厚度为0.08～0.3 mm；成形材料为尼龙12 粉，半结晶型材料，其成形产品具有较高的强度和密度。

多容器杯三维打印成形过程为采用UG三维建模软件在计算机上设计出多容器杯的三维模型，将三维模型进行近似处理转换成STL 格式文件，通过切片软件对其进行分层切片，求得每层截面轮廓，按照这些轮廓，快速成形机的激光束选择性地烧结一层层的粉末材料，形成各截面并逐步叠加成三维产品。采用SLS工艺制造多容器杯的工艺过程如图2所示。

图2 SLS打印的多容器杯零件

2 成形工艺参数对制品成形精度的影响分析

成型设备、成形材料和成形工艺是影响成型件质量的关键因素。通过多次烧结实验，发现影响多容器杯成形精度的主要因素有分层厚度、激光功率、扫描速度以及温度等。成形不良品形式有台阶效应而导致的制品表面粗糙；翘曲变形、杯口椭圆形变形导致的盖子扣不上杯身以及杯盖不能旋入杯身、杯身强度不足而引起的破裂等。

（1）分层厚度影响

分层厚度影响制品的表面粗糙度及精度。分层厚度过大会导致制件实际轮廓和理论轮廓之间发生偏离，出现明显的台阶效应，使制品表面粗糙度大，力学性能下降；分层厚度过薄，则会延长成形时间，使制品成本升高，同时铺粉时粉末颗粒间容易出现团聚现象，降低粉床质量，另外制品有过烧的风险。因此，综合考虑本杯身成形的分层厚度取为0.10 mm。

（2）激光功率影响

激光功率对制品成形质量有很大的影响。激光功率代表加工时烧结材料粉末的能量，对制品的变形和力学性能有很大影响。激光效率越小，粉末越不容易熔化，且制品强度低；激光功率大，粉末熔化良好，但功率过大，会使制品产生过烧形变。因此，本杯身成形的激光功率为25 W，约为激光器最大功率的46%。

（3）扫描速度影响

扫描速度影响制品的生产效率和成形精度。扫描速度越大，成形时间越短，效率提高，但是扫描速度过快也会使粉床温度分布不均，使得制品的成形精度较低。在SLS 成型中，一般扫描速度和激光功率这两个因素会相互影响，相互作用。本杯身成形选择的扫描速度为4 m/s。

（4）温度影响

温度分为预热温度和制件温度。预热是选择性激光烧结成形中一个至关重要的基础准备，可以降低制件成形时间，提高成形效率，但过高的预热温度会使制件的尺寸精度降低。因此需选择合适的预热温度，一般设为155～167 ℃，在此温度区间，粉床连续铺粉6 mm，为制件成形打下基础，制件温度设为167 ℃。温度如果达不到要求，尼龙12粉末在打印成型过程中，很容易翘曲变形，导致成形品质下降乃至失败。

采用上述工艺参数成形的杯身成形精度良好，能满足装配要求，如图3所示。

图3 采用SLS打印尼龙粉的多容器杯

3 结束语

本文利用选择性激光烧结（SLS）成形工艺进行多容器杯杯身的制造，解决了传统塑料成型工艺无法生产的难题。对杯身的SLS 成形过程进行实验研究，发现影响多容积杯成形质量的主要因素有分层厚度、激光功率、扫描速度和温度。成形后不良制品形式有台阶效应而导致的制品表面粗糙；翘曲变形、杯口椭圆形变形、杯身强度不足而引起的破裂等。通过选择合适的工艺参数，分层厚度为0.10 mm、激光功率为25 W、扫描速度为4 m/s、预热温度为155～167 ℃、制件温度为167 ℃，成功制成合格的多容器杯杯身。

三维打印技术突破了传统的等材和减材制造技术受产品结构复杂性制约的难题，是21世纪最具前途的先进制造技术之一，也是目前智能制造体系的重要组成部分，将在各行各业得到广泛应用。本文采用SLS快速成型技术是三维打印技术的一种先进工艺方法，是一种以激光为热源层层叠加烧结粉状材料的“净成型”技术，具有不需要支撑材料、成形材料多样化、制品综合性能好等优点，是成形这种多容器杯复杂结构的较好方法。