高善平

(泉州信息工程學(xué)院，福建 泉州 362000)

?

FDM快速成型精度及其影響因素分析

高善平

(泉州信息工程學(xué)院，福建 泉州 362000)

摘要：主要根據(jù)FDM熔融堆積成型的工藝過程，分析了產(chǎn)品從預(yù)處理到成型過程再到后處理的主要誤差及影響因素，為FDM成型工藝的優(yōu)化及成型精度的提高提供了有效依據(jù)。

關(guān)鍵詞：FDM；精度；原理

項(xiàng)目來源：2014年福建省中青年教師教育科研項(xiàng)目，項(xiàng)目名稱：FDM快速成型的工藝優(yōu)化研究，項(xiàng)目編號：JA14459

0引言

近年來，隨著全球市場一體化的形成，市場上產(chǎn)品的種類越來越多，消費(fèi)者的需求日新月異，產(chǎn)品制造呈現(xiàn)出多品種小批量生產(chǎn)的狀態(tài)。為了滿足消費(fèi)者需求，快速響應(yīng)市場，就要求企業(yè)的制造技術(shù)有較強(qiáng)的靈活性，且產(chǎn)品開發(fā)速度較快。

20世紀(jì)80年代后期，快速成型技術(shù)作為新技術(shù)誕生，它可以自動、直接、快速、精確地將設(shè)計(jì)思想轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢üδ艿脑突蛑苯又圃炝慵瑥亩鵀榱慵椭谱?、新設(shè)計(jì)思想校驗(yàn)等方面提供了一種高效低成本的實(shí)現(xiàn)手段。該技術(shù)使得產(chǎn)品的加工周期縮短(加工周期節(jié)約70%以上)、成本降低(制造費(fèi)用降低50%)，大大提高了制造業(yè)快速響應(yīng)市場的能力。其中，F(xiàn)DM熔融堆積成型以其使用、維護(hù)簡單，成本較低，速度快，體積小且無污染等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于家用電器、辦公用品、模具行業(yè)新產(chǎn)品開發(fā)以及假肢、醫(yī)學(xué)、醫(yī)療、大地測量、考古等基于數(shù)字成像技術(shù)的三維實(shí)體模型制造。但受成型設(shè)備、成型材料、系統(tǒng)軟件、制件精度與強(qiáng)度的限制，F(xiàn)DM制件只停留在樣品制造及裝配實(shí)驗(yàn)等方面，而無法跟生產(chǎn)達(dá)到無縫結(jié)合。因此，提高FDM成型制件的精度和強(qiáng)度對于未來制造業(yè)的發(fā)展是非常有意義的。

1工作原理

1.1　成型設(shè)備組成及原理

FDM成型機(jī)主要由加熱系統(tǒng)、碰頭、供絲系統(tǒng)、運(yùn)動系統(tǒng)、工作臺等組成?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)成型工藝驅(qū)使運(yùn)動機(jī)構(gòu)帶著碰頭沿著工件的輪廓運(yùn)動，與此同時(shí)供絲系統(tǒng)以一定的速度將絲材送入碰頭加熱室，通過加熱系統(tǒng)將絲材加熱成熔融狀態(tài)后由噴頭擠出，沿著工件層輪廓涂抹在XY面工作臺上，同時(shí)工作臺做Z向運(yùn)動，每完成一個(gè)輪廓的掃描，工作臺下降一個(gè)工作層的距離，依此循環(huán)掃描，最終形成物體模型。

1.2　成型工藝過程

FDM熔融堆積成型主要是系統(tǒng)根據(jù)零件的3D數(shù)據(jù)模型，將ABS或者PLA材料熔融，并通過擠壓、掃描，一層層堆積最終形成實(shí)物的，其工藝過程如圖1所示。

圖1　FDM成型工藝過程

2成型主要誤差分析及解決措施

根據(jù)FDM快速熔融擠壓堆積成型的基本原理及工藝過程可知，影響FDM成型件精度的因素主要包括原始性誤差、成型誤差及后處理誤差等，如圖2所示。

圖2　誤差影響因素

2.1　預(yù)處理誤差

2.1.1　文件擬合誤差

FDM快速成型工藝的第一步就是將零件的3D數(shù)據(jù)模型轉(zhuǎn)化為成型系統(tǒng)能夠識別的STL格式，而STL數(shù)據(jù)模型是利用小三角面片來逼近實(shí)體模型，此過程采用近似法實(shí)現(xiàn)，本身破壞了零件3D數(shù)據(jù)的真實(shí)性。該方法在處理純平面的實(shí)體模型時(shí)基本沒什么差別，但是在處理曲面時(shí)卻出現(xiàn)了較大的誤差，特別是一些復(fù)雜的曲面模型，會在交接處出現(xiàn)縫隙、重疊和畸變等現(xiàn)象，從而導(dǎo)致了模型的精度下降。

2.1.2　切片分層誤差

與傳統(tǒng)的加工制造相似，快速成型之前也需要進(jìn)行零件成型的工藝編制，并形成數(shù)控程序文件，該過程又引入了新的誤差。

(1) FDM的數(shù)控工藝文件用標(biāo)準(zhǔn)的CLI格式，該數(shù)據(jù)是采用近似逼近曲線的方式擬合零件層輪廓，該過程必然產(chǎn)生模型誤差，降低零件的成型精度。

(2) 分層后的Z向誤差。分層，即將零件的3D數(shù)據(jù)模型根據(jù)一定的標(biāo)準(zhǔn)分為若干等份，一般我們設(shè)置為每層0.2、0.25、0.3等。當(dāng)實(shí)體的模型正好為分層厚度的整數(shù)倍時(shí)，Z向尺寸誤差極小，可不考慮。但是當(dāng)其為非整數(shù)倍時(shí)，多出來的部分無論大小，將用一個(gè)分層厚度來填充，這將給零件加工前的處理進(jìn)一步帶來誤差。當(dāng)然，對于簡單的零件我們可以取一個(gè)剛好是整數(shù)倍的參數(shù)進(jìn)行加工，但成型件結(jié)構(gòu)并不是一成不變的，這就要求我們有一個(gè)智能的分層系統(tǒng)，能夠自行處理數(shù)據(jù)模型中的不同數(shù)據(jù)，以保證工藝文件精度最佳，從而保證加工精度。

(3) 分層后的表面粗糙度問題。在對STL文件進(jìn)行切片時(shí)，會破壞零件表面的連續(xù)性，同時(shí)丟失了層與層之間的數(shù)據(jù)，導(dǎo)致模型的形狀精度受到影響，同時(shí)在成型過程中將會引入階梯誤差，大大增大零件的表面粗糙度。針對該情況可以減小分層厚度來削弱誤差，但會使加工效率大大降低。

2.2　成型過程中的誤差

2.2.1　成型系統(tǒng)誤差

成型系統(tǒng)主要指的是加工設(shè)備的機(jī)械系統(tǒng)，其為成型過程的基礎(chǔ)元件，其硬件設(shè)備的精度直接影響到成型精度。成型過程中主要是噴頭沿XOY面的掃面運(yùn)動及工作臺的Z向運(yùn)動，其誤差主要包括以下兩方面：

(1)XY面的平面度及其與導(dǎo)軌的垂直度。該誤差會使工件的形狀精度受到影響。

(2)Z向運(yùn)動誤差及定位誤差。Z向運(yùn)動誤差會使成型厚度不均，導(dǎo)致零件表面的階梯誤差變大，影響工件的表面粗糙度。

2.2.2　噴頭引起的誤差

噴頭誤差會導(dǎo)致成型件尺寸比設(shè)計(jì)尺寸大。在對STL文件進(jìn)行分層時(shí)二維輪廓線是理想輪廓狀態(tài)，即零寬度，然而在加工的過程中，噴頭噴出的熔融態(tài)絲材是有一定寬度的，相當(dāng)于擠出絲截面的寬度，所以當(dāng)噴頭沿理想輪廓線進(jìn)行掃描時(shí)，最終形成的實(shí)體都會多出一個(gè)噴頭線寬。

式中，W為絲截面寬度；D為噴頭直徑；h為分層厚度；Vj為擠出速度；Vs為掃描速度。

2.2.3　材料收縮導(dǎo)致的誤差

FDM成型過程中材料經(jīng)過加熱熔融、擠出成型和冷卻固化三個(gè)基本步驟，即固體—熔體—固體的物理變化過程，其主要產(chǎn)生熱收縮和分子取向收縮兩種誤差。

(1) 熱收縮。即材料因其固有的熱膨脹率而產(chǎn)生的體積變化，它是收縮產(chǎn)生的最主要原因，由熱收縮引起的收縮量為：

ΔL=β×L×ΔT

式中，β為材料的線性膨脹系數(shù)(/℃)；L為零件X向尺寸(mm)；ΔT為溫差(℃)。

(2) 分子取向收縮。即由于高分子材料的不同取向使得成型件在XOY平面與Z軸的尺寸收縮率是不同的。XY方向的材料收縮量為：

ΔLXY=β×δ1×L×ΔT

式中，β為考慮實(shí)際零件尺寸的收縮受到成型件形狀、尺寸、成型過程的工藝參數(shù)設(shè)置以及每一層成型時(shí)間長短的交互影響，可通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行估算；δ1為材料XY方向的收縮率。

2.2.4　工藝參數(shù)誤差

FDM成型過程中，影響成型件精度的工藝參數(shù)很多，主要應(yīng)考慮11個(gè)比較重要的因素，即分層厚度、噴嘴直徑、噴頭溫度、環(huán)境溫度、擠出速度(又稱沉積速度)、填充速度(指輪廓掃描速度或打網(wǎng)格速度)、理想輪廓線的補(bǔ)償量、填充方式、網(wǎng)格間距、開啟延遲時(shí)間、關(guān)閉延遲時(shí)間等工藝參數(shù)。很多研究者已經(jīng)對各個(gè)工藝參數(shù)的含義進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，這里不重復(fù)介紹，本文主要介紹主要工藝參數(shù)對成型件精度的影響。

(1) 成型溫度包括噴頭溫度和環(huán)境溫度。噴頭溫度必須使絲材保持在一個(gè)合理的熔融狀態(tài)，并配合擠出速度等均勻擠出絲材，否則會導(dǎo)致出絲不均，從而使表面質(zhì)量下降。而環(huán)境溫度也同樣影響成型件的表面粗糙度，如果溫度過高，零件表面會產(chǎn)生“坍塌”與“拉絲”現(xiàn)象；如果溫度太低，容易引起零件翹曲變形甚至開裂等。

(2) 擠出速度和掃描速度分別指的是絲材擠出噴嘴和隨噴嘴運(yùn)動的速度，在快速成型過程中，二者應(yīng)該處于一個(gè)合理的匹配范圍，否則會造成材料的過剩或不足。

(3) 成型方向。FDM快速成型對制件的成型精度影響很大，一般垂直與Z向的表面輪廓精度和表面粗糙度均有較高的質(zhì)量，因此在成型過程中，最好將主要配合表面沿Z向成型，以確保制件質(zhì)量處于最佳狀態(tài)。

2.3　后處理誤差

成型好的工件還需要進(jìn)行后處理，這樣就會引入一些新的誤差，如剝離支撐結(jié)構(gòu)時(shí)表層的剝落與刮傷，對主要表面進(jìn)行修補(bǔ)、打磨、拋光和表面處理時(shí)造成的尺寸精度和形狀精度的變化等。

3結(jié)論

本文根據(jù)FDM快速成型的成型工藝，從數(shù)據(jù)模型預(yù)處理、成型過程及工件后處理三方面分析了影響成型件精度的各種因素，為成型過程提供了一定的參考。

(1) 對于預(yù)處理誤差，主要是3D數(shù)據(jù)模型及切片數(shù)控程序，需要考慮好加工精度和加工效率的關(guān)系，合理選擇文件的類型及參數(shù)，以保證加工的合理進(jìn)行。

(2) 成型過程中的影響因素較多，要在確保設(shè)備及噴頭精度的基礎(chǔ)上，針對不同的材料及零件結(jié)構(gòu)，合理選擇成型參數(shù)及成型方向，保證工件的主要配合面，防止工件的翹曲變形、表面塌陷等現(xiàn)象，保證表面質(zhì)量、形狀精度及尺寸精度。

(3) 選擇合理的后處理工藝，防止刮傷甚至是破壞工件，以保證處理后的工件精度。

[參考文獻(xiàn)]

[1]李永慶，史廷春.FDM成型機(jī)原型精度控制[J].機(jī)床與液壓，2010，38(23)：65-66，73.

[2]鐘山，韋寧，鄧小林，等.快速成形制造技術(shù)的新進(jìn)展[J].梧州學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，20(3)：23-28.

[3]徐巍，凌芳.熔融沉積快速成型工藝的精度分析及對策[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2009，28(6)：27-29.

作者簡介：高善平(1985—)，男，福建漳州人，在職碩士，講師，研究方向：機(jī)械制造及自動化。

收稿日期：2015-11-26