熔融沉積快速成型精度及工藝分析

朱政紅 謝卓

（合肥工業(yè)大學(xué)）

熔融沉積快速成型精度及工藝分析

朱政紅 謝卓

（合肥工業(yè)大學(xué)）

熔融沉積成型技術(shù)（FDM）是一種典型的快速成型技術(shù)，成型件的精度由于受多種因素的影響，使制件質(zhì)量難以保證，這也是影響FDM發(fā)展的主要因素。本文分析了影響成型件精度的因素，并根據(jù)實(shí)際加工提出了提高成型精度和表面質(zhì)量的措施。

熔融沉積；成型精度；工藝分析

引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷快速發(fā)展，尤其是近幾年，市場(chǎng)環(huán)境發(fā)生了很大的改變，人們對(duì)工業(yè)產(chǎn)品的要求越來(lái)越高，這就對(duì)制造廠商提出了較高的要求，不僅要滿足消費(fèi)者個(gè)性化的需求，還要盡可能的減少生產(chǎn)周期，并且保證工業(yè)產(chǎn)品的質(zhì)量，設(shè)計(jì)出符合人們要求的產(chǎn)品。隨著全球市場(chǎng)一體化的進(jìn)一步形成與完善，制造業(yè)不斷向信息化發(fā)展，快速成型技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生[1]?？焖俪尚图夹g(shù)解決了傳統(tǒng)制造方法的缺點(diǎn)，以一種全新的制造思想、極快的制造速度和靈活多變的產(chǎn)品模型而受到極大關(guān)注，適應(yīng)了時(shí)代發(fā)展的要求，這種快速成型技術(shù)具有較多的優(yōu)點(diǎn)，不僅可以提高生產(chǎn)效率，還成功地實(shí)現(xiàn)了原型制造的自動(dòng)化，將計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、數(shù)字控制等先進(jìn)技術(shù)融合在一起[2]?？焖俪尚图夹g(shù)適應(yīng)了時(shí)代發(fā)展的要求，縮短了市場(chǎng)開(kāi)發(fā)周期，降低了企業(yè)開(kāi)發(fā)成本，提高了企業(yè)的產(chǎn)值，是近年來(lái)制造技術(shù)領(lǐng)域中最熱門的研究熱點(diǎn)之一。

1 熔融沉積快速成型的特點(diǎn)

熔融沉積快速成型（FDM）發(fā)展如此迅速，主要是因?yàn)樗幸韵缕渌に嚐o(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)：①熔融沉積快速成型技術(shù)不使用激光，這樣不僅操作簡(jiǎn)單，而且企業(yè)的制造成本也較低。②熔融沉積快速成型技術(shù)采用的是塑料絲材，這種材料與其他材料相比更加容易清潔，也便于后期的更換，這是FDM工藝的主要優(yōu)點(diǎn)，尤其是與粉末和液態(tài)材料工藝相比，這種絲材不會(huì)在設(shè)備中形成粉末或液體污染[3]。FDM工藝另一個(gè)主要的優(yōu)點(diǎn)是其材料性能，其ABS原型強(qiáng)度可以達(dá)到注塑零件的1/3，最近又出現(xiàn)了幾種新型材料，PC、PPSF等，這些材料可在某些特定場(chǎng)合下直接使用，隨著材料性能和工藝水平的進(jìn)一步提高，會(huì)有更多的FDM原型在各種場(chǎng)合直接使用。③后處理簡(jiǎn)單。熔融沉積快速成型技術(shù)僅需要幾分鐘到一刻鐘的時(shí)間剝離支撐后，原型即可使用。④成型速度較快。一般來(lái)講，F(xiàn)DM工藝相對(duì)于其他工藝來(lái)說(shuō)，速度是比較慢的，但是其也有一定的優(yōu)勢(shì)。當(dāng)對(duì)原型強(qiáng)度要求不高時(shí)，可通過(guò)減小原型密實(shí)程度的方法提高FDM成型速度。

2 熔融沉積快速成型精度的影響因素分析

熔融沉積快速成型（FDM）工藝不用激光，使用簡(jiǎn)單，制造成本較低，尤其是最近幾年，該工藝發(fā)展極為迅速，目前FDM系統(tǒng)在全球已安裝快速成形系統(tǒng)中的份額大約為40%，具體FDM流程如圖1所示。

圖1 FDM流程圖

2.1 原理性誤差

（1）CAD模型擬合成STL文件時(shí)的誤差。我們?cè)诳焖俪尚皖I(lǐng)域中經(jīng)常用到STL文件格式，STL文件數(shù)據(jù)處理是將模型離散為多層輪廓，再以各種方式填充一個(gè)復(fù)雜的模型，通過(guò)轉(zhuǎn)換后產(chǎn)生的STL文件包含百萬(wàn)個(gè)三角形面片。尤其是當(dāng)多個(gè)曲面進(jìn)行三角化時(shí)，在曲面相交處會(huì)出現(xiàn)較多的錯(cuò)誤和缺陷，這樣就大大降低了模型的精度，不過(guò)我們可以增加一定數(shù)量的三角形面片來(lái)達(dá)到減少幾何誤差的效果，這樣就可以在很大程度上提高模型近似精度。一般情況下采用弦高來(lái)控制幾何誤差，ε表示弦高，指的是近似三角形的輪廓邊與曲面之間的徑向距離，如圖2所示。

圖2 STL文件格式誤差

（2）切片過(guò)程中的誤差。通過(guò)對(duì)實(shí)體進(jìn)行分層處理，不僅可以簡(jiǎn)化工藝，同時(shí)完全解決了加工中的幾何干涉問(wèn)題。但是每一個(gè)切片層之間存在一定的距離，這樣就破壞了模型表面的連續(xù)性，而且分層的厚度越大，兩切片層間的信息丟失的就越多，這樣就導(dǎo)致原型不僅會(huì)產(chǎn)生形狀誤差，也會(huì)產(chǎn)生較大的尺寸誤差。

2.2 成型過(guò)程中的誤差

在FDM工藝成型過(guò)程中，誤差主要存在于FDM設(shè)備自身固有工藝參數(shù)中或者用戶設(shè)定的工藝控制參數(shù)中，不同的工藝參數(shù)造成的加工時(shí)間不同，并且不同的工藝參數(shù)造成的成型精度也有很大的差別。

（1）成型溫度。成型溫度包括兩個(gè)部分：①環(huán)境溫度；②噴嘴溫度。環(huán)境溫度是指系統(tǒng)工作時(shí)原型周圍環(huán)境的溫度，通常是指成型室的溫度。環(huán)境溫度主要影響成型工件的表面質(zhì)量，如果溫度太低，就會(huì)使成型零件熱應(yīng)力增加，容易引起零件翹曲變形，并且在較低溫度下，擠出絲冷卻速度快，前一層截面已完全冷卻凝固才開(kāi)始堆積后一層，導(dǎo)層間粘接不牢固，零件會(huì)出現(xiàn)開(kāi)裂；如果溫度過(guò)高，前一層的絲還沒(méi)有完全固化，后一層絲就開(kāi)始往上堆積，就會(huì)使零件表面產(chǎn)生“坍塌”現(xiàn)象。噴嘴溫度是指噴嘴加熱到一定值時(shí)的工作溫度，一般情況下，噴頭的最佳溫度是使絲材保持在熔融狀態(tài)，熔融狀態(tài)是指處于固態(tài)與液態(tài)之間的狀態(tài)，使材料的粘性系數(shù)保持在一個(gè)穩(wěn)定的范圍之內(nèi)，如果絲的擠出速度合理的話，就會(huì)均勻出絲，避免發(fā)生層面剝離的現(xiàn)象。

（2）擠出速度和掃描速度。擠出速度指的是絲材擠出噴嘴的速度，而掃描速度指的是絲材隨噴嘴運(yùn)動(dòng)的速度，因?yàn)槌尚图拿恳粚佣际欠忾]的幾何邊界，并且每一封閉的幾何邊界都存在起停點(diǎn)，擠出速度和掃描速度要有一個(gè)合理的匹配范圍，這樣就可以避免材料的過(guò)?；虿蛔?，才會(huì)得到較高的制件精度，如果擠出速度和掃描速度小于這個(gè)合理的匹配范圍，就會(huì)產(chǎn)生“拉絲”或者“斷絲”的現(xiàn)象，嚴(yán)重影響制件精度；如果擠出速度和掃描速度超出這個(gè)合理的匹配范圍，就會(huì)導(dǎo)致制件變形，引起噴嘴“碳化”或者“粘附”現(xiàn)象，阻礙下一步的加工，所以擠出速度和掃描速度都要有一個(gè)合理的范圍。

（3）延遲時(shí)間。延遲時(shí)間包括開(kāi)啟時(shí)出絲延遲時(shí)間和關(guān)閉時(shí)斷絲延遲時(shí)間兩個(gè)部分。當(dāng)打開(kāi)開(kāi)關(guān)時(shí)，送絲機(jī)構(gòu)開(kāi)始送絲，但是噴嘴有一定的延時(shí)，不立即出絲，我們把這一段時(shí)間稱為出絲延遲時(shí)間；當(dāng)送絲機(jī)構(gòu)停止送絲，然而噴嘴仍在噴料，不立即斷絲，有一定的延時(shí)，我們把這一段時(shí)間稱為斷絲延遲時(shí)間。當(dāng)出絲延遲發(fā)生時(shí)，會(huì)造成欠堆積現(xiàn)象；當(dāng)斷絲延遲發(fā)生時(shí)，造成過(guò)度堆積現(xiàn)象，形成“節(jié)瘤”，所以不僅需要優(yōu)化出絲延時(shí)還需要優(yōu)化斷絲延時(shí)，距起點(diǎn)多遠(yuǎn)開(kāi)始送絲，就距終點(diǎn)多遠(yuǎn)斷絲。

（4）填充方式。填充方式對(duì)制件的影響較大，不僅關(guān)系到成型時(shí)間，也與制件的機(jī)械性能息息相關(guān)，其中填充間距是至關(guān)重要的一項(xiàng)因素，如果填充間距過(guò)小，就可以大大提高制件的機(jī)械性能，但是也會(huì)產(chǎn)生負(fù)面影響，使加工時(shí)間較長(zhǎng)，增加成本；如果填充間距過(guò)大，雖然可以減小加工時(shí)間，降低成本，但是也會(huì)大大減弱制件的機(jī)械性能，一般情況下，我們采取1.5mm填充間距。

2.3 后處理過(guò)程的誤差

一般情況下，為了提高制件的質(zhì)量，需要對(duì)已經(jīng)成型的工件進(jìn)行后處理，一般都需要打磨、拋光和表面處理，如果成型件有支撐結(jié)構(gòu)還需要?jiǎng)冸x支撐結(jié)構(gòu)，在處理過(guò)程中一般會(huì)出現(xiàn)以下幾種誤差：

（1）由于支撐結(jié)構(gòu)與工件緊密結(jié)合，很難去除，所以在去除支撐結(jié)構(gòu)的過(guò)程中，往往會(huì)影響到工件的表面質(zhì)量，如果操作不當(dāng)，就會(huì)導(dǎo)致工件表面被劃傷。為了解決這一問(wèn)題，我們可以采用水溶性材料，這樣就可以很好的去除支撐結(jié)構(gòu)，但是這種方式價(jià)格較高。所以，我們?cè)谠O(shè)計(jì)成型件之前，就要首先考慮支撐方式，把支撐間距控制在一個(gè)合理的范圍之內(nèi)，一般支撐間距為3mm，并且在選取成型方向時(shí)，要選擇合理的成型角度，這樣就可以在很大程度上避免在去除支撐結(jié)構(gòu)的過(guò)程中對(duì)工件的影響。

（2）由于工件周圍環(huán)境會(huì)隨時(shí)間發(fā)生變化，并且環(huán)境等因素對(duì)加工好的工件影響較大，為了防止溫度、濕度等導(dǎo)致的工件變形，影響成型精度，所以應(yīng)當(dāng)盡量保持工件的周圍環(huán)境，一般快速成型的固化時(shí)間為8天，這8d之內(nèi)應(yīng)該盡量保持工件的周圍環(huán)境保持不變。

3 加工參數(shù)對(duì)FDM成型件質(zhì)量的影響

影響FDM成型件質(zhì)量的因素有很多，本文選取了幾個(gè)重要的工藝參數(shù)進(jìn)行分析。

3.1 加工參數(shù)對(duì)表面粗糙度的影響

快速成型技術(shù)采用分層疊加制造的方式來(lái)制造工件，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是將一個(gè)模型分成很多層切片，但是這些切片僅僅是簡(jiǎn)單的具有一定厚度的層片，在進(jìn)行分層疊加之后形成的輪廓只是這些層片組成的曲線輪廓，這樣就產(chǎn)生了階梯誤差，一般情況下，我們稱這種現(xiàn)象為“臺(tái)階效應(yīng)”，如圖3所示。

圖3 臺(tái)階效應(yīng)

分層厚度和成型方向是影響FDM制件表面粗糙度的關(guān)鍵因素，其中表面粗糙度與分層厚度成正比，所以在FDM成型過(guò)程中在條件允許的情況下，應(yīng)該盡可能的減小分層厚度，一般選擇0.15～0.3mm范圍之內(nèi)，這樣就可以大大減小制件的表面粗糙度。

具體FDM制件表面粗糙度與成型角度見(jiàn)圖4所示，當(dāng)成型角度為90°的時(shí)候，制件表面粗糙度最小為0，隨著成型角度變大或者縮小，制件表面粗糙度呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)。通過(guò)以上理論分析，得出成型方向?qū)χ萍谋砻娲植诙染哂休^大的影響，最好的表面粗糙度存在于90°左右。

圖4 成型角度

3.2 加工參數(shù)對(duì)機(jī)械性能的影響

隨著我國(guó)社會(huì)化的不斷發(fā)展，現(xiàn)在的快速成型制件主要用于成型設(shè)備制造零件并直接投入使用，這是目前發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)，并且對(duì)FDM制件的機(jī)械性能提出了更高的要求，現(xiàn)主要研究擠壓性能和拉伸性能這兩個(gè)工藝參數(shù)對(duì)機(jī)械性能的影響。

（1）拉伸性能（如圖5）。

（2）擠壓性能（如圖6）

由圖5和圖6中我們可以發(fā)現(xiàn)，不管是對(duì)FDM制件進(jìn)行壓縮試驗(yàn)還是進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，我們發(fā)現(xiàn)如下規(guī)律：①隨著分層厚度的增加，可以大大增強(qiáng)FDM制件的抗壓和抗拉強(qiáng)度；②填充間隔也是影響FDM制件機(jī)械性能的一個(gè)重要因素，填充間隔越大，制件的抗拉和抗壓強(qiáng)度越大，反之就會(huì)減小。通過(guò)研究不同工藝參數(shù)對(duì)制件機(jī)械性能的影響，可以得出不同參數(shù)組合來(lái)滿足對(duì)機(jī)械性能的不同要求。

圖5 抗拉強(qiáng)度的變化曲線圖

圖6 抗壓強(qiáng)度的變化曲線圖

4 結(jié)論

綜上所述，本文主要分析了FDM技術(shù)中影響成型件精度的幾個(gè)影響因素，并針對(duì)問(wèn)題提出了一些具體參數(shù)和優(yōu)化方法，對(duì)實(shí)際加工生產(chǎn)中的參數(shù)選擇和FDM技術(shù)的發(fā)展和改進(jìn)方面的研究提供了參考價(jià)值。

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1004-7344（2016）12-0001（起始頁(yè)碼）-02

2016-4-15

朱政紅（1958-），女，合肥工業(yè)大學(xué)，副教授，主要研究方向?yàn)橄冗M(jìn)制造技術(shù)與現(xiàn)代制造系統(tǒng)。