【分析】周囲温度が3Dプリントの造形精度に与える影響

この投稿は、Little Soft Bear によって 2017-9-12 16:59 に最後に編集されました。

3D 印刷技術には、生産サイクルが短く、コストが低いという利点があります。現在、3D 印刷技術には、主にステレオリソグラフィー (SLA)、選択的レーザー焼結 (SLS)、熱溶解積層法 (FDM) などのプロセスが含まれます。プロセスの複雑さ、コスト、およびさまざまなテクノロジの処理効率の観点から見ると、FDM テクノロジは全体的なコストが最も低く、したがって普及率が最も高くなります。成形精度は、FDM技術の産業応用における重要な問題であり、印刷プロセスがスムーズに進むかどうかと製品の精度に大きく影響します。これは、今日のラピッドプロトタイピング技術分野で緊急に解決する必要がある問題の1つでもあります。次に、Antarctic Bearは、3Dプリント用のアクリロニトリル-ブタジエン-スチレン共重合体（ABS）を成形材料として使用し、FDMプロセスにおける周囲温度が製品の印刷プロセスと製品の成形精度に与える影響を調べるために印刷実験を実施しました。
1 実験セクション
1.1 原材料
ABSワイヤー：直径1.75mm、北京Tiertime Technology Co., Ltd.
1.2 機器と器具
3Dプリンター：UPPLUS2、北京Tiertime Technology Co., Ltd.、温度制御環境ボックス：自作、メルトインデックスメーター：MP600、TiniusOlsen、米国、射出成形機：MA1200/370、Ningbo Haitian Plastic Machinery Co., Ltd.、デジタル表示ノギス：SF2000、Guilin Guanglu Co., Ltd.

1.3 実験手順<br /> 実験では、温度制御可能な循環熱風システムを備えた自作の環境チャンバー内に3Dプリンターを設置し、環境チャンバー内の印刷環境温度を温度コントローラーで制御しました。印刷パラメータ設定は、層の厚さが 0.2 mm に設定され、ノズル温度が 260 °C に設定され、押し出し速度と充填速度がデフォルト設定に設定されます。 60mm×60mm×2mmの正方形のサンプルを、それぞれ20、30、40、50、60、70℃の異なる周囲温度で印刷しました。印刷後、プリンタープラットフォームの温度が20℃まで下がったら、小さな正方形をプラットフォームから取り外し、印刷中のノズルの移動方向（y軸）を平行方向、プラットフォームの移動方向（x軸）を垂直方向と定義しました。まず、印刷後のサンプルの平行寸法と垂直寸法を測定します。次に、サンプルを 23 °C の恒温ボックスに 24 時間置き、再度平行寸法と垂直寸法、反りを測定します。

1.4 試験と機器(1) メルトフローレート（MFR）試験原材料のMFR値はGB/T3682-2000に従って試験されます。試験温度は220℃、荷重は10kgです。
（２）収縮試験原料の収縮は、バレル温度220℃、射出圧力5MPa、保持圧力5MPaの条件で、GB/T17037.4-2003規格に従って射出サンプリングにより試験した。

射出成形サンプルを24時間状態変調した後、各方向の収縮率を測定した。溶融流動方向に平行な成形収縮率（Sp）と溶融流動方向に垂直な成形収縮率（Sn）は、それぞれ式（1）と式（2）に従って計算した。

（３）成形品の反り

図1 サンプルの反り高さ測定の模式図図1に示すように、23℃で24時間定温変調処理した後のサンプルを平らなテーブルに置き、プリンタープラットフォーム上の配置順序に従って、左上から反時計回りにA、B、C、Dとマークします。次に、40gの重りをAに載せます。反りにより、サンプルはCで明らかに反っていることがわかります。次に、重りをBに載せると、Cも反っていることがわかります。Cの反り高さをノギスで測定します。同じ操作を使用して、印刷環境温度がそれぞれ20、30、40、50、60、70℃で印刷されたサンプルの反りを測定し、印刷された製品の反り率に対する周囲温度の影響を調べます。点Aに重りを載せたときのサンプルの点Cでの反り高さをh1で表し、点Bに重りを載せたときのサンプルの点Cでの反り高さをh2で表します。

2 結果と考察
2.1 原材料特性に関する研究<br /> 表１にABS原料のMFR値と式（１）及び（２）に従って算出したSp値及びSn値を示す。使用されているABS印刷材料は、溶融状態から固体状態に変化した後に明らかな寸法収縮を示すことがわかります。原材料の大きな収縮率は、製品の3D印刷プロセスと最終製品の寸法安定性に大きな影響を与えます。したがって、3D印刷技術の研究を実施し、印刷プロセスを最適化することで、製品の印刷プロセスにおける反りや過度の収縮という一般的な問題を軽減または排除する必要があります。表1 ABS原料のMFR値と成形収縮率

2.2 印刷プロセスに関する研究
2.2.1 製品収縮に関する研究<br /> 3D 印刷プロセスでは、スピナレットに一定の幅があるため、輪郭パスを充填する際の実際の輪郭線が、一部の領域で理想的な輪郭線を超えてしまいます。したがって、サンプルの寸法安定性を計算する場合、輪郭パスを生成するときに理想的な輪郭線を補正する必要があります。補正量は押し出されたフィラメント幅の半分にする必要があります。実際のプロセスでは、押し出されたワイヤの形状とサイズは、ノズル穴の直径、層の厚さ、押し出し速度、充填速度、ノズル温度、環境ボックス温度、材料の収縮率など、多くの要因の影響を受けます。したがって、押し出されたワイヤの幅は固定値ではありません。ここでは、Jia Zhenyuan らの研究結果を参考にして、次のように補償量を決定します。

測定結果は、d=0.4mm、h=0.2mm、νE=25mm/s、νF=27mm/sです。上記のデータを式（３）に代入すると、W = 0.6 mmとなるので、補正量はWの半分の0.3 mmとなる。試験で得られた正方形の試験片のサイズに基づいて、各温度での収縮率を計算できます。図 2 からわかるように、取り出したばかりのサンプルでも、24 時間調整した後のサンプルでも、周囲温度の上昇とともに、平行方向と垂直方向の収縮率が増加します。つまり、周囲温度が高いほど、サンプルサイズは小さくなります。また、垂直方向の収縮率は平行方向の収縮率よりも大きいことがわかります。また、同じ周囲温度で印刷した後のサンプルの収縮率は、24時間調整後のサンプルの収縮率よりもわずかに低くなります。これは、サンプルが23℃の一定温度配置中にゆっくりと変形して収縮するため、サイズがわずかに小さくなるためです。特定の周囲温度で印刷する場合、製品の寸法安定性の要件を満たすために、元のモデルのサイズをそれに応じて修正する必要があることがわかります。

図2 サンプル印刷後および24時間の調整後の平行方向および垂直方向の収縮に対する周囲温度の影響
2.2.2 製品の反りの研究

図3 サンプルの反り高さに対する周囲温度の影響

図3は、サンプルの反り高さに対する周囲温度の影響を示しています。図から、印刷周囲温度が上昇すると、ポイントAに重りを載せた場合、サンプルのポイントCの反り高さ（h1）が徐々に減少し、ポイントBに重りを載せた場合、印刷周囲温度の上昇とともにポイントCの反り高さ（h2）が徐々に減少することがわかります。また、同じ周囲温度では、特に周囲温度が低い場合、h1 は h2 よりも大幅に大きくなります。この高さの差は周囲温度の上昇とともに減少し、周囲温度が高くなるほどサンプルの各ポイントの反り高さが小さくなり、サンプル全体がより平坦になることを示しています。この実験では熱可塑性 ABS プラスチックが使用されているため、印刷プロセス中に 2 つの相変化プロセスが発生すると分析されています。1 つ目は、ABS が熱によって固体フィラメントから溶融状態に溶けること、2 つ目は、溶融状態がノズルから押し出され、その後冷却されて固体状態に固化することです。

凝固中の ABS の体積収縮により内部応力が生じ、サンプルが反ります。周囲温度は、成形サンプルの内部応力の大きさに影響します。印刷環境温度が上昇すると、一方では、製品内の高分子鎖の熱運動エネルギーが高くなります。他方では、体積膨張により、分子間の距離が広がり、高分子鎖の活動空間が拡大し、緩和プロセスが加速され、製品の内部応力が減少します。それに応じて、反りの程度も減少します。ただし、周囲温度が高すぎると、部品の表面にしわが寄ってしまいます。断面積が小さい部品の場合、「崩壊」と「ワイヤーの引き抜き」が発生します。つまり、前の層の断面積がまだ軟化状態にあるときに、次の層がその上に蓄積し始めます。前の層の断面積は、次の層の押し出されたワイヤーの力に耐えるのに十分ではないため、沈んで下方に変形し、押し出されたワイヤーはノズルによって引き離されます。一方、印刷環境温度が低すぎると、ノズルから押し出されたフィラメントが急激に冷え、成形部品の内部応力が増大します。これにより、部品が反り変形しやすくなり、スムーズな印刷プロセスに影響を与え、層間の結合が弱くなり、部品が割れやすくなります。適切な印刷環境温度のみが成形品の反り度合いを低減し、表面品質を向上させ、成形精度を向上させることができることがわかります。

3 結論 3Dプリント実験を通じて、FDMプロセスにおける製品の成形精度に対する周囲温度の影響を研究しました。本論文の実験研究結果から、印刷環境温度が上昇すると、製品の横方向の収縮率が増加し、縦方向の収縮率も増加するため、モデル設計を補正する必要があることがわかります。同時に、印刷環境温度が上昇すると、製品の反り高さが減少し、成形精度が向上します。

編集者: Antarctic Bear 著者: Qu Chenguang、Zhang Shijun、Gao Dali、Zou Hao、Liu Jianye、Dong Mu、Guo Jialiang、Shao Jingbo、Lv Yun (北京化学工業研究所、Sinopec)

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