熔融沉積型3D打印機(jī)機(jī)械零件誤差對(duì)精度的影響

黃斌斌 唐運(yùn)周 梁飛創(chuàng)

摘要：熔融沉積型3D打印機(jī)是一種常見的制造工具，但在打印過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生機(jī)械零件誤差，影響打印精度。文章探索了熔融沉積型3D打印機(jī)的機(jī)械零件誤差對(duì)精度的影響，發(fā)現(xiàn)機(jī)械零件誤差對(duì)打印品質(zhì)的影響包括表面粗糙度增加、細(xì)節(jié)部分失真，以及打印物件尺寸、形狀、位置偏離預(yù)期值。針對(duì)這些影響，建議采取以下措施：優(yōu)化機(jī)械設(shè)計(jì)，改進(jìn)結(jié)構(gòu)以減少制造誤差；使用高質(zhì)量的機(jī)械零件，改善打印材料質(zhì)量；優(yōu)化打印工藝，選擇合適的參數(shù)；定期維護(hù)和校準(zhǔn)機(jī)械零件。這些措施可以使機(jī)械零件誤差對(duì)熔融沉積型3D打印機(jī)精度的影響降至最小，提高打印品質(zhì)和準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞：3D打印；熔融沉積型；機(jī)械零件誤差；打印精度

中圖分類號(hào)：TP334.8? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ?文章編號(hào)：1674-0688（2023）04-0072-03

0 引言

近年來(lái)，3D打印機(jī)已經(jīng)逐漸成為工業(yè)制造和個(gè)人制作領(lǐng)域的重要工具之一。3D打印技術(shù)是一種通過(guò)逐層添加材料的方式制造三維實(shí)物的方法，相比傳統(tǒng)制造技術(shù)，3D打印無(wú)需制造模具，具有快速生產(chǎn)、靈活性高等優(yōu)點(diǎn)。3D打印技術(shù)的發(fā)展可以追溯到20世紀(jì)80年代，當(dāng)時(shí)這種技術(shù)被稱為快速成型技術(shù)。到了20世紀(jì)90年代，這種技術(shù)開始應(yīng)用于工業(yè)制造領(lǐng)域，并被稱為增材制造（Additive Manufacturing）［1］。隨著3D打印技術(shù)的快速發(fā)展，越來(lái)越多的企業(yè)開始使用3D打印機(jī)制造產(chǎn)品原型、小批量生產(chǎn)特殊部件等?，F(xiàn)在，3D打印技術(shù)已經(jīng)在航空航天、醫(yī)療、汽車制造、建筑等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

熔融沉積型3D打印機(jī)是一種應(yīng)用廣泛的3D打印機(jī)類型，它采用加熱后熔化的材料（通常是塑料）制造零件，技術(shù)基本原理是通過(guò)熔融噴嘴將材料逐層噴射到制造平臺(tái)上，逐漸建立所需的三維模型。熔融沉積型3D打印機(jī)具有打印速度快、材料成本低、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。然而，熔融沉積型3D打印機(jī)的打印精度會(huì)受到機(jī)械零件誤差的影響，這種誤差可能來(lái)自機(jī)械加工、裝配、使用過(guò)程中的磨損等多方面因素，會(huì)導(dǎo)致打印物體表面粗糙、尺寸不準(zhǔn)確、形狀失真等問題。因此，減小機(jī)械零件誤差對(duì)提高熔融沉積型3D打印機(jī)的精度至關(guān)重要。

本文通過(guò)試驗(yàn)，分析機(jī)械零件誤差對(duì)熔融沉積型3D打印機(jī)精度的影響，對(duì)比不同誤差條件下打印物體的表面質(zhì)量、尺寸精度等方面的差異，探討降低機(jī)械零件誤差的方法，以期提高3D打印的品質(zhì)和精度。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)備和材料

本試驗(yàn)采用自主設(shè)計(jì)的熔融沉積型3D打印機(jī)作為試驗(yàn)設(shè)備。該打印機(jī)由底座、機(jī)械臂、噴頭、供料器和控制系統(tǒng)等主要部分構(gòu)成。底座是該打印機(jī)的支撐結(jié)構(gòu)，提供整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和平衡性，由堅(jiān)固的金屬材料構(gòu)建，確保打印過(guò)程中的穩(wěn)定性。機(jī)械臂是打印機(jī)的核心組件，負(fù)責(zé)定位和移動(dòng)噴頭，由關(guān)節(jié)和伺服驅(qū)動(dòng)器組成，可以在三維空間內(nèi)精確地控制噴頭的位置和方向。噴頭是打印機(jī)中的關(guān)鍵部件，負(fù)責(zé)將熔融材料準(zhǔn)確地沉積在打印平臺(tái)上，由陶瓷材料制成，配有加熱裝置以保持材料的熔化狀態(tài)，并通過(guò)精確的控制機(jī)制調(diào)節(jié)噴嘴的噴射流量和方向。供料器用于提供打印材料，是一種裝有材料絲或顆粒的容器，通過(guò)旋轉(zhuǎn)或推送機(jī)制將材料送入噴頭，以供打印過(guò)程使用?？刂葡到y(tǒng)是整個(gè)打印機(jī)的大腦，由計(jì)算機(jī)和相關(guān)的軟件組成，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)路徑規(guī)劃和打印參數(shù)調(diào)整。

試驗(yàn)所用材料為ABS（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物）塑料，是3D打印中常用的一種材料，具有優(yōu)良的耐熱性、耐磨性和機(jī)械強(qiáng)度，適用于制作各種零件。

1.2 試驗(yàn)步驟

1.2.1 設(shè)計(jì)測(cè)試零件

本試驗(yàn)共設(shè)計(jì)了3個(gè)測(cè)試零件，分別為方體、圓柱體和球體。這些測(cè)試零件的尺寸和形狀都經(jīng)過(guò)仔細(xì)計(jì)算和設(shè)計(jì)，旨在測(cè)試機(jī)械零件誤差對(duì)不同形狀的零件精度的影響。其中，方體的尺寸為20 mm×20 mm×20 mm，圓柱體的高度為30 mm，直徑為20 mm，球體的直徑為20 mm。

1.2.2 制造測(cè)試零件

在打印測(cè)試零件之前，需要先校準(zhǔn)打印機(jī)的位置和狀態(tài)，通過(guò)調(diào)整機(jī)械臂和噴頭的位置和角度，使打印機(jī)的坐標(biāo)系和G代碼生成的模型坐標(biāo)系一致［2］。然后，將ABS塑料顆粒裝入供料器中，通過(guò)機(jī)械臂上的噴頭將塑料材料熔化并噴射到熱床上，逐層堆疊形成所需的零件。在制造過(guò)程中，需要對(duì)打印機(jī)的打印速度、噴頭溫度、熱床溫度等各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，以確保打印質(zhì)量和精度。

1.2.3 測(cè)試零件的測(cè)量和分析

完成打印后，需要對(duì)測(cè)試零件進(jìn)行測(cè)量和分析。使用三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x對(duì)零件的尺寸和形狀進(jìn)行精確測(cè)量，并使用顯微鏡和光學(xué)影像儀對(duì)零件表面質(zhì)量進(jìn)行觀察和分析。通過(guò)比較不同誤差條件下測(cè)試零件的測(cè)量結(jié)果和實(shí)際設(shè)計(jì)尺寸，得出機(jī)械零件誤差對(duì)打印精度的影響。

1.2.4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理和分析

在試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理和分析過(guò)程中，首先需要將測(cè)試零件的實(shí)際尺寸和設(shè)計(jì)尺寸進(jìn)行比較，計(jì)算出實(shí)際尺寸與設(shè)計(jì)尺寸之間的誤差。然后，將誤差數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，得出機(jī)械零件誤差對(duì)打印精度的影響規(guī)律。為更清晰地展示數(shù)據(jù)分析結(jié)果，使用表格的形式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行展示和比較。使用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，探究不同機(jī)械零件誤差條件下，測(cè)試零件的尺寸精度和表面質(zhì)量的變化規(guī)律。

在本試驗(yàn)中，通過(guò)自主設(shè)計(jì)的熔融沉積型3D打印機(jī)制造不同形狀的測(cè)試零件，并通過(guò)試驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析探究機(jī)械零件誤差對(duì)打印精度的影響。下一步將利用所得試驗(yàn)數(shù)據(jù)和分析結(jié)果，對(duì)機(jī)械零件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以提高打印精度和增強(qiáng)打印穩(wěn)定性。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 機(jī)械零件誤差對(duì)打印質(zhì)量的影響

試驗(yàn)過(guò)程發(fā)現(xiàn)，機(jī)械零件誤差對(duì)打印質(zhì)量有著顯著的影響。當(dāng)機(jī)械零件存在誤差時(shí)，打印出的測(cè)試零件表面會(huì)出現(xiàn)明顯的瑕疵和凹凸不平的現(xiàn)象。機(jī)械零件誤差主要表現(xiàn)為機(jī)械結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定和加工精度的不足，這些因素都會(huì)導(dǎo)致打印出的零件質(zhì)量下降。此外，在打印過(guò)程中，過(guò)度熔化的噴嘴和溫度波動(dòng)也會(huì)導(dǎo)致打印質(zhì)量降低。

2.2 機(jī)械零件誤差對(duì)打印精度的影響

在試驗(yàn)中，使用多組不同的機(jī)械零件打印測(cè)試零件，并對(duì)比實(shí)際尺寸與設(shè)計(jì)尺寸之間的誤差，進(jìn)一步研究機(jī)械零件誤差對(duì)打印精度的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，機(jī)械零件誤差與打印精度之間存在著密切的關(guān)系。當(dāng)機(jī)械零件的誤差值較小時(shí)，打印出的測(cè)試零件的實(shí)際尺寸與設(shè)計(jì)尺寸之間的誤差也相對(duì)較小。但當(dāng)機(jī)械零件的誤差值增大時(shí)，測(cè)試零件的實(shí)際尺寸與設(shè)計(jì)尺寸之間的誤差也會(huì)增大。

此外，機(jī)械零件的誤差類型和誤差方向?qū)Υ蛴【鹊挠绊懸埠苤匾?。例如，?duì)于平面零件，若機(jī)械零件存在水平方向的誤差，則會(huì)導(dǎo)致打印出的零件表面存在波浪狀的紋理，從而影響零件的使用效果［3］。因此，對(duì)不同類型的機(jī)械零件，需要采用不同的處理方式，以保證打印精度的穩(wěn)定性。

2.3 打印結(jié)果質(zhì)量和精度的對(duì)比分析

這些試驗(yàn)結(jié)果表（見表1和表2）包含了不同尺寸的測(cè)試零件，每個(gè)測(cè)試零件都有特定的設(shè)計(jì)尺寸。在打印過(guò)程中，由于機(jī)械零件的誤差，測(cè)試零件的實(shí)際尺寸可能與設(shè)計(jì)尺寸存在一定的偏差。試驗(yàn)結(jié)果表記錄了這些誤差的變化情況，從表中可以清晰地看到不同機(jī)械零件誤差條件下的打印質(zhì)量和精度的變化規(guī)律。

表1顯示了4個(gè)不同的機(jī)械零件誤差條件（無(wú)誤差、誤差A(yù)、誤差B、誤差C）下的對(duì)比結(jié)果。平均尺寸誤差列顯示實(shí)際打印零件與設(shè)計(jì)尺寸之間的平均誤差值，單位為mm；打印零件的表面粗糙度以Ra值表示，單位為μm。根據(jù)表中的數(shù)據(jù)，可以觀察到隨著誤差條件的增加，平均尺寸誤差、表面粗糙度和細(xì)節(jié)失真程度均增加。這表明機(jī)械零件誤差對(duì)打印質(zhì)量和精度產(chǎn)生了顯著影響。

表2展示了測(cè)試零件在不同誤差條件下的打印細(xì)節(jié)。當(dāng)誤差為0.1 mm時(shí)，測(cè)試零件的表面質(zhì)量較好，幾乎沒有明顯的瑕疵，打印細(xì)節(jié)比較清晰，各部分的細(xì)節(jié)都能夠清晰辨認(rèn)。隨著誤差的增大，表面質(zhì)量逐漸變差。當(dāng)誤差達(dá)到0.3 mm時(shí)，測(cè)試零件的表面出現(xiàn)明顯的凸起和凹陷，打印細(xì)節(jié)明顯變得模糊不清，各部分的細(xì)節(jié)無(wú)法清晰辨認(rèn)。而在誤差為0.4 mm的情況下，測(cè)試零件的表面質(zhì)量很差，出現(xiàn)多處顯著的瑕疵，嚴(yán)重影響整體表面質(zhì)量。

3 減少機(jī)械零件誤差的措施

3.1 機(jī)械零件誤差原因分析

機(jī)械零件誤差由多個(gè)因素共同作用而產(chǎn)生，包括材料和設(shè)備等因素［4］。材料方面，打印材料的質(zhì)量和穩(wěn)定性會(huì)對(duì)打印精度產(chǎn)生影響，低質(zhì)量或不穩(wěn)定的打印材料容易引起融合不良，導(dǎo)致打印零件出現(xiàn)層間質(zhì)量差異和誤差。設(shè)備方面，打印機(jī)的精度和穩(wěn)定性及打印機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等方面都會(huì)對(duì)打印精度產(chǎn)生影響。此外，打印機(jī)的磨損程度等使用狀態(tài)和維護(hù)保養(yǎng)情況也會(huì)對(duì)打印精度產(chǎn)生影響。

3.2 減少機(jī)械零件誤差的方法

為提高3D打印精度、減少機(jī)械零件誤差，本文提出以下減少機(jī)械零件誤差的方法。

（1）優(yōu)化機(jī)械設(shè)計(jì)，改善打印機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)是減少機(jī)械零件誤差的關(guān)鍵方法，合理的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、優(yōu)秀的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)及穩(wěn)定、可靠的控制系統(tǒng)可以提高打印機(jī)的精度和穩(wěn)定性，從而減少機(jī)械零件誤差的影響。

（2）優(yōu)化打印工藝，選擇合適的參數(shù)，或者采用補(bǔ)償算法，調(diào)整打印路徑或參數(shù)。

（3）使用高質(zhì)量的機(jī)械零件，避免使用已經(jīng)損壞或磨損的機(jī)械零件。

（4）改善打印材料質(zhì)量，選擇高質(zhì)量、穩(wěn)定性好的打印材料，可以減少融合不良、層間質(zhì)量差異等問題，提高打印精度。

（5）科學(xué)的維護(hù)保養(yǎng)和正確的使用方式也可以減少機(jī)械零件誤差的影響。及時(shí)更換磨損嚴(yán)重的零部件、保證打印機(jī)的清潔、避免打印機(jī)在不穩(wěn)定的環(huán)境下運(yùn)行；對(duì)打印設(shè)備進(jìn)行定期維護(hù)和保養(yǎng)，確保設(shè)備始終處于最佳狀態(tài)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)熔融沉積型3D打印機(jī)的試驗(yàn)研究，深入探討機(jī)械零件誤差對(duì)打印精度的影響，探索減少誤差的方法和提高打印精度的措施。在實(shí)際應(yīng)用中，需要選擇優(yōu)質(zhì)的設(shè)備和材料，采用合適的打印參數(shù)，才能夠有效降低機(jī)械零件誤差、提高打印精度。通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，可以看到不同機(jī)械零件誤差條件下打印質(zhì)量和精度的變化規(guī)律，為今后的研究和開發(fā)提供一定的參考。未來(lái)研究方向包括進(jìn)一步優(yōu)化打印工藝、開發(fā)新型材料、提高打印速度和精度等。相信隨著熔融沉積型3D打印技術(shù)的不斷發(fā)展，其在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用和影響也將越來(lái)越大。

5 參考文獻(xiàn)

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