姜 鑫



不同温度条件下ABS 3D打印人字齿轮的结构分析*

姜 鑫

（陕西国防工业职业技术学院机电工程学院 西安710300）

3D打印又称为快速成形，特别在模具制造、贵重金属成型等领域极大的缩短了计算、建模和浇铸等工序的时间，在当今的工业和民用领域已经有了十分广泛的应用。但是3D打印的质量与喷头温度、成形室温度和打印速度这三个参数密不可分，通过设计一种人字齿结构，整体材料选用ABS塑料，利用超声波探伤仪对三种成型温度打印出的人字齿轮内部缺陷进行检测和实验数据分析，得出成型温度对成型零件的影响，用最优结果打印样件，具有很强的理论和应用价值。

超声波 温度 3D打印 检测

3D打印是近些年新兴的一种工业快速成型技术，又称为三维打印、快速成型、三维成型机、立体打印等，在当今的工业和民用领域已经有了试探性的应用，特别在模具制造、贵重金属成形、结构设计分析上大大缩短了建模、浇铸等工序的时间，提高了效率。但是3D打印的成品质量要受到很多外界环境的影响，比如温度、湿度、干扰源、振动频率等，特别是喷头温度、成形室温度和打印速度这3个参数对打印件质量有着至关重要的影响。通过设计一种人字型圆柱齿轮，整机采用ABS塑料，分别在30℃、60℃和90℃这三种不同成型温度条件进行打印，结合数字超声波探伤仪检测内部缺陷，找出成型温度对打印零件的影响。

1 人字型圆柱齿轮的设计及3D打印设置

利用PRO/E软件设计一种人字型圆柱齿轮，参数为法向模数2.5 mm，齿数20，齿宽10 mm，法向压力角20°，左旋，螺旋升角20°，节圆直径53 mm，顶圆直径58 mm，法向变位系数0，齿根圆角半径0.25 mm，具体结构见图1所示，其三维造型如图2所示。

图1 人字齿结构图

图2 人字齿三维视图

设计后的人字齿轮导入到三维打印软件Model Wizard中，导入过程及分析如图3、4所示，本材料采用增材打印，即采用分层加工、迭加成形，通过逐层增加材料来生成3D实体，材质选用ABS塑料，成形效果如图5所示。

图3 Model Wizard 导入界面

图4 用户执行界面

图5 人字齿三维打印效果图

2 不同打印温度设置

在打印过程中分别设置打印成型温度为30℃，60℃和90℃，如图6、7、8所示，调整打印输出质量为普通，开始完成在不同成形温度条件下的直齿轮打印，打印过程如图9所示。

图6 30℃成型温度设置

图7 60℃成型温度设置

图8 90℃成型温度设置

图9 打印过程

3 利用超声波探伤仪对产品进行检测

超声波探伤仪是利用超声波在介质中的反射、折射原理，通过检测仪器可将超声波在缺陷处产生的反射、折射波显示在示波器上，从而确定零件内部缺陷的位置、大小和性质是用来检测零件内部缺陷的一种无损检测设备。其原理如图10所示。没有缺陷的零件在示波器上仅有一个始脉冲A和底脉冲C，如果遇到零件内部缺陷，就会产生一个缺陷脉冲B，我们利用这种方法对三种成型温度打印出的人字齿轮的内部缺陷进行检测。

图10 超声波检测法原理

30℃的打印的人字齿由于成型温度过低，ABS熔丝还未在表面成型便迅速冷却，已经改变了基本形状而且存在大量的气泡，可以判定为残次品，不需进行检测，下面分别利用超声波探伤仪的探头对温度为60℃和90℃成型的人字齿进行检测得到分别得到两个波形，如图11、12所示。从图中可以看出，60℃成型的人字齿衰减比较大，90℃成型的人字齿衰减很小，可以看出温度越高，材料的成型时的致密性很好，反之温度越低，材料在成型过程中层次之间结合的致密性越差，在未达到完全熔融温度时变快速成型，中间存在着很多的气孔和缩松等缺陷，所以温度越高，成型的效果越好。

图11 60℃成型的波形图

图12 90℃成型的波形图

4 结语

通过利用超声波探伤仪对三种成型温度打印出的人字齿轮监测结果来看，温度越高，成形效果越高，零件的致密性越高，内部缺陷越少。通过对ABS塑料成型的零件的实验数据进行检测具有一定的局限性，但是其原理可以对金属和其它非金属材料3D打印零件的检测具有指导意义。

[1] 姜鑫主编.机电设备故障诊断与维修[M].咸阳:西北农林科技大学出版社,2013,05.

[2] 孙柏林.试析“3D打印技术”的优点与局限[J].自动化技术与应用,2013,06:1-6.

[3] 李兆太,王成森,黄智等.管道对接焊缝的超声波检测[J].无损检测,2011,08:46-53.

[4] 潘鑫龙,陈元枝,邓艳.FDM的出丝模型完善和补偿方法优化研究[J].精密制造与自动化,2015,1:31-34.

[5] 史亚贝,杨笋.面向生产现场的三维装配仿真系统研究[J].精密制造与自动化,2014,4:37-39.

[6] Falguni Pati,Tae-Ha Song,Girdhari Rijal,Jinah Jang, Sung Won Kim,Dong-Woo Cho. Ornamenting 3D printed scaffolds with cell-laid extracellular matrix for bone tissue regeneration[J].Biomaterials,2014,06,28-34.

[7] Searamangas A, Poter Croff F D. On the correction of residual stress measurement obtained using the center-hole method[J].Stain,1982,8(3):88-97.

[8] 于昊.PLC在材料自动分拣系统中的应用[J].煤炭技术，2011,12:31-32.

*陕西省教育科学“十二•五”规划课题

编号：SGH12594