如何解决3D打印的热蠕变问题

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  3D打印的热蠕变问题：现象、原因、对策
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  蠕变不是翘曲：如何区分
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  哪种线材能在玻璃化转变温度附近保持稳定
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  减缓打印件蠕变的工艺设置
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  让塑料不再承力的设计改动
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  分步操作：诊断并修复蠕变零件

翘曲发生在打印过程中，蠕变发生在打印之后。翘曲件在喷嘴还在移动时就已从床上翘起；蠕变件从打印板上取下时完好无损，却在随后数小时、数天或数月内变形。在车间里，看这个时间点是最快的区分方法。

热塑性塑料是粘弹性的。在玻璃化转变温度（Tg）以下加载，它表现得像刚性固体；保持在 Tg 以上，聚合物链会在任何存在的应力下缓慢相互滑移。零件不必摸起来发烫。PLA 在密闭壳体或停放的车内达到 45 °C，而拧入螺栓时，其温度已高于约 55–60 °C 的 Tg。

蠕变速率由三个变量决定：相对 Tg 的温度、持续应力和时间。降低其中任一项，零件寿命都会延长。工程师通常先处理温度，因为它的影响最陡。在 Tg 附近降低 10 °C，蠕变速率可降低一半甚至更多。

应力的形式常被忽略。拧紧的螺钉、压缩的垫片、弹簧卡扣以及零件自重都算。把零件压平的工装夹具的夹紧力也算。若打印支架在 70 °C 下承载 2 kg 达六个月，无论有没有人计划，这都是一次蠕变试验。

时间是试验中唯一无法走捷径的变量。在使用温度下烘箱放置 24 小时，比室温放置一周更能说明问题。若现场工况是 80 °C 持续两年，就在 100 °C 下做加速试验，并观察挠度曲线，而不只是终点值。

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  蠕变出现得晚第一天配合良好，第三十天变差。
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  温度是节流阀接近 Tg 会使蠕变速率成倍增加。
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  载荷从不休息螺栓、卡扣和自重都在驱动蠕变。

在任何打印设置起作用之前，材料选择已决定大部分结果。标准 PLA 的 Tg 约为 55–60 °C，因此在壳体、引擎盖下以及任何会达到 60 °C 的装配中都会失效。PETG 约为 80 °C，蠕变更小，但在 70 °C 的持续螺栓载荷下仍会松弛。ABS 和 ASA 可达约 100 °C，保持性更好，但需要加热腔体才能不开裂地打印。

若要真正耐热，应改用工程塑料。加碳纤维的 PA6 或 PA12 可将刚度保持到约 120 °C。PEEK 和 PEI 可超过 140 °C，是我们唯一信任能用于 120 °C 以上承载零件的常见线材。代价是打印难度：PEEK 需要 400 °C 喷嘴和接近 150 °C 的腔体，多数桌面机做不到。

碳纤维和玻璃纤维对蠕变曲线的改变大于对 Tg 的改变。纤维承担载荷，聚合物基体承受的应力更小，松弛更慢。含 20–30% 碳纤维的 PA 零件能保持住纯 PA 零件一周内就会失去的螺栓扭矩。纤维还降低热膨胀系数，因此零件随温度波动变形更小。

但存在上限。在高温、承载的连接处，没有哪种线材能胜过金属件。高于 150 °C、高夹紧载荷下，或零件属于安全件时，诚实的答案是改用机加工。6061-T6 铝和 17-4PH 不锈钢在这些温度下没有明显蠕变，我们每天都在加工这两种材料。

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  PLATg 55–60 °C。仅用于展示模型。
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  PETG 和 ABSTg 80–100 °C。轻载、中等温度。
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  PA-CF 和 PEEKTg 120–143 °C。承载打印件。

抗蠕变性能上，壁数比填充百分比更重要。载荷通过外壳传递，因此 0.4 mm 的 4 到 6 圈轮廓比把填充从 20% 提高到 50% 更有效。填充大部分是空气和无支撑跨距，只会增加重量和打印时间，对蠕变强度的提升有限。

层间结合是薄弱方向。载荷横跨层线时，零件蠕变比载荷沿平面方向时更快。打印时调整方向，让主载荷沿挤出线方向，而不是横跨挤出线。当几何形状固定了方向时，把喷嘴温度提高 5–10 °C 以改善结合，并接受表面略粗糙。

冷却是权衡。风扇越大，悬垂越好，但层间结合越弱。对于结构件，前几层之后把零件冷却降到 20–40%，让下层保持足够温度以融合。在壳体内，ABS 保持腔温 40–60 °C，PA 接近 70 °C。

退火是大多数工厂跳过的、最强的后处理。把零件埋在沙子或盐里防止塌陷，然后升温：PLA 到 80 °C，PETG 和 ABS 到 100–120 °C，按壁厚保温 1–4 小时。降温速度不超过每小时 10 °C。退火后的零件内应力更小，蠕变曲线更平缓。

测量，不要猜。打印一根测试条，在实际载荷下于使用温度中放置，测量 1 小时、24 小时和 168 小时时的变形量。如果 168 小时后曲线仍未平缓，设计需要换材料，而不是改设置。

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  先做壁4–6 圈轮廓，再重新考虑填充。
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  定向载荷让应力与层保持在同一平面内。
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  在工装夹具中退火缓慢升温，更慢降温。

最便宜的修正往往是不再让塑料承受载荷。把螺栓连接移到金属嵌件中。热压黄铜嵌件把夹紧载荷分散到更大面积，且嵌件不会蠕变。对于使用温度达 70 °C 的打印壳体，嵌件能把一周就松动的零件变成在产品寿命内保持扭矩的零件。

在零件弯曲处加加强筋。蠕变变形量与无支撑跨距的立方成正比，因此沿 100 mm 平板加一条 4 mm 加强筋可将下垂减少一半以上。加强筋还降低壳体应力，从而减缓松弛速率。加强筋厚度保持在壁厚的 60% 以避免缩痕。

让连接在相反方向预紧。如果零件必须承载弹簧或卡扣，设计几何形状使塑料处于压缩而非拉伸状态。热塑性塑料在拉伸下蠕变更快，受压的加强筋能更长时间保持形状。

把结构件与外观件分开。用 ASA 或 PETG 打印盖板，用 6061-T6 铝加工承载支架。混合材料组件在生产中很常见。我们把支架加工到 ±0.005 mm，打印盖板用螺栓固定其上，因此塑料的蠕变永远不会移动关键基准。

最后，检查紧固扭矩。在 2 N·m 下就滑丝的打印凸台，在 0.8 N·m 下也撑不住。规定材料在低于 Tg 时能承受的扭矩，并写在图纸上，让装配线不用猜。

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  热压嵌件把夹紧载荷从聚合物中移出。
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  加强筋变形量随跨距立方下降。
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  混合零件加工承载路径，打印盖板。