熔融丝材制造技术中临界悬垂角度的研究

《Macromolecular Symposia》：Investigation of the Critical Overhang Angle in Fused Filament Fabrication Technology

　　摘要

在熔融纤维制造过程中，悬挑结构是一个挑战，因为每一层沉积的材料都需要前一层的部分支撑。通常引用的45°打印指导原则源于经验实践，并不总是能准确反映特定工艺的行为。本研究对比分析了两种热塑性聚合物：PLA和PETG。样品的倾斜角度在5°到85°之间，以5°为间隔进行制作。对于每种配置，采用了三种壁层沉积策略：内/外（IO）、外/内（OI）以及内/外/内（IOI），同时保持其他工艺参数不变。几何形状的一致性测量表明，IOI策略可以增加允许的悬挑角度：PLA的悬挑角度可达水平面以上25°，PETG可达30°。这些阈值远低于传统的45°规则，表明关键的悬挑角度取决于材料与策略的组合，而非一个普遍适用的极限。IOI策略被证明是最有效的，因为部分固化的内部层直接支撑了外部壁，从而提高了表面稳定性和尺寸精度。

1 引言

45°规则认为，倾斜角度达到或超过45°的表面可以无需支撑即可打印，而倾斜角度较小的表面则需要支撑结构。然而，最近的研究表明，可打印的悬挑角度阈值（PTOA）取决于材料属性、工艺参数和沉积策略。PLA和PETG是两种常见的FFF（Fused Filament Fabrication）聚合物，它们的表现各不相同。PLA的快速固化速率提高了悬挑结构的稳定性，而PETG较高的粘度和较慢的固化速率则增加了变形的可能性。壁层沉积的顺序直接影响几何形状，外部-内部壁层的顺序会降低表面质量，而其他顺序则能改善这一情况。本文的目的是通过分析倾斜角度从5°到85°、以5°为间隔的样品，来确定PLA和PETG的关键悬挑角度，并评估沉积策略对零件质量的影响。

2 方法论

样品使用Polymaker公司的红色PLA（Polyterra）和FormFutura公司的蓝色PETG材料，通过Prusa Mk3S+ 3D打印机打印制成，参数设置如表1所示。几何形状设计为棱柱形，每个部件都有两个相对的面以互补的角度倾斜。研究的悬挑角度范围从5°到85°，以5°为间隔，从而能够全面分析关键范围。图1展示了设计样品的预览。表1列出了打印过程的参数设置。

3 结果

打印样品的照片文档可以在数据可用性声明部分找到。对于PLA样品，使用IO沉积策略制作的零件在水平面以上约30°时仍能保持形状完整；低于此角度的样品出现了明显的下垂缺陷。OI策略的效果较差，在35°到40°之间表面出现退化，这表明在外层壁沉积之前未充分固化的底层会促进缺陷的形成。IOI策略取得了最佳结果：在25°以下的角度下零件无缺陷；即使在20°打印的样品也存在可观察到的偏差（见图3）。图表显示了倾斜角度和打印类型对偏差的影响。对于PETG，IO沉积策略在水平面以上约30°时仍能保持几何稳定性，低于此角度时变形显著增加。OI策略在较小角度下表面质量也会下降。相比之下，PLA的关键悬挑范围约为20°到25°，而PETG的关键范围约为25°到30°。在两种材料中，IOI沉积策略都显著扩展了可打印的悬挑角度，使得可打印角度窗口比OI策略大出了大约10°到15°。测量数据显示，随着倾斜角度的减小，尺寸误差偏差明显增加（定义为测量尺寸与CAD名义值之间的差值，单位为毫米）。

4 讨论

结果证实了45°阈值不具有普遍性的假设。实验确定的PTOA（可打印悬挑角度阈值）显著低于这一阈值：PLA为20°到25°，PETG为25°到30°。这些发现与先前的报告一致，表明PTOA会受到工艺和材料参数的影响。PLA较高的固化速率增强了抗重力变形的能力，而PETG较高的粘度和较慢的固化速率则导致了在低倾斜角度下的变形。沉积顺序对悬挑结构的可打印性有显著影响。IOI策略因为在外层壁沉积之前先沉积了内部壁层，从而提供了额外的机械支撑并提高了表面稳定性。这一机制证实了之前的观察结果，即壁层顺序会影响表面质量和几何精度。从应用的角度来看，在远低于45°的角度下无需支撑即可打印具有显著的实际优势。减少或消除支撑结构可以降低材料消耗、缩短建造时间并减少后处理需求。对于包含内部通道或隐藏空腔的复杂部件，扩大的无支撑打印范围可以提高工艺的可行性并降低整体生产成本。

5 结论

45°的FFF打印阈值过于保守，未能准确反映特定工艺的行为。实验确定的PTOA表明，当使用IOI沉积策略时，PLA的可打印悬挑角度范围为20°到25°，PETG为25°到30°。OI顺序在所有材料中表现最差，这突显了壁层沉积顺序对表面稳定性的影响。这些发现支持修订FFF设计指南，即在定义关键悬挑角度时考虑材料选择和沉积策略，从而减少支撑结构的使用，优化工艺流程，并为工业应用提供更大的设计自由度。作者声明没有利益冲突。

数据可用性声明

3D打印部件的照片可以在公共仓库中找到：PLA：https://doi.org/10.6084/m9.figshare.30437261.v4；PETG：https://doi.org/10.6084/m9.figshare.30437348.v4。