椭圆环截面SCMW齿轮FDM打印制造工艺研究

朱小明

（华南理工大学 广州学院，广州 510800）

0 引言

有学者预言：“三维打印将带来第三次工业革命”。三维打印技术为增材的制造方法，能直接制造复杂的三维工件，使加工精密程度和制造的效率得到很大的提升，为产品创新提供很大的空间，现已广泛应用于各行各业。

椭圆环截面SCMW齿轮为新原理齿轮，又称空间曲线啮合轮(Space-Curve-Meshing-Wheel，SCMW)，是基于空间曲线啮合原理，即实现啮合传动的是一对空间曲线，属于复杂三维结构零件。图1所示为椭圆环截面SCMW齿轮的机构示意图。该机构包括主动轮、从动轮和支架。主动轮轮体上端面的圆周上均匀分布着主动钩杆，从动轮轮体柱面的圆周上均匀分布着从动钩杆。当主动轮运动时，主动钩杆与从动钩杆作用可实现连续的空间啮合传动。

传统的减材制造因受刀具或模具的限制，往往无法成形一些形状复杂的工件。刚开始，空间曲线啮合轮的加工主要采用靠模法，随着三维打印技术的发展，目前已实现光固化快速成型制造空间曲线啮合轮和基于选区激光融化成型制造空间曲线啮合轮，并取得了较好的加工效果。

FDM打印技术为目前使用最为普及的三维打印技术。文本采用FDM打印机（北京太尔时代有限公司的UP！三维打印机）加工椭圆环截面SCMW齿轮，分析FDM工艺的关键技术参数，讲述工艺过程和工艺的优化，最终实现SCMW齿轮的优化加工。

图1 椭圆环截面SCMW齿轮的机构示意图

1 FDM关键技术参数

1.1 层厚

FDM打印加工前，必须对模型进行切片处理，沿模型高度方向（Z轴正方向），将模型分割成一系列具有一定厚度的二维截面轮廓片层。片层厚度的设定将直接影响模型的加工精度。片层厚度一般取恒定值，即模型进行等分切片，各片层厚度相等。片层厚度值范围通常为0.05mm～0.5mm。层厚越大，虽然加工时间会越短，但模型表面条纹和阶梯效应就越明显，模型精度和表面质量越差。层厚的设定要根据模型特点和加工需求来确定。一般来说，如果模型尺寸小，高度方向上曲面多，那么层厚值要小。相反，模型尺寸较大，形状规则，曲面少，为节省加工时间，层厚可取大一点。

1.2 填充路径

FDM打印中喷头一边根据填充路径做扫描一边挤出材料丝，所以要打印成功必须要有合理的填充路径。FDM工艺中填充路径一般如图2所示两种方式：1）先确定轮廓表面填充层的层数，层的偏置距离；再确定内部填充的角度和行距。例如图2(a)表面填充层为5层，层的偏置距离0.4mm，内部填充角度0和行距0.8mm；2）等距偏移方式。以轮廓层不断地向内部偏移进行计算，要确定偏移的距离。如图2(b)所示，偏移的距离0.8mm，得到偏移层数为4。

图2 填充路径

图3 支撑角度

填充路径一般以第一种方式为主，因为此方式能更好、更灵活地控制工件表面强度和内部材料的填充量。

1.3 支撑角度

FDM打印工艺存在支撑结构问题。工件在高度方向上若存在悬空结构，加工时则可能存在支撑结构。支撑量最小值最好在去除支撑难易程度和加工质量之间取得平衡。如果支撑少了，则工件会发生材料坍塌；反之，会造成材料浪费、去除支撑费时等问题。支撑量的多少由支撑角度来决定。工件中小于支撑角度的地方都会存在支撑，反之则不存在支撑。图3中红色部分为支撑结构，其中图3（a）的支撑角度为60o，图3（b）的支撑角度为10o，所以支撑角度越大，支撑量越多。

1.4 扫描速度、推料速度

FDM打印过程中，热喷头以一定的速度挤出材料同时以一定的速度进行扫描。喷头的扫描速度与喷头推料速度要相匹配。扫描速度过快，会造成材料丝间断沉积，材料填充不足，加工失败。相反，扫描速度过慢，会造成材料沉积过量，形成结块。

2 SCMW齿轮打印制造实验

2.1 UP！打印机的操作

FDM的原理是通过喷头加热材料至熔融状态，工作时，喷头按路径移动出丝，材料丝快速凝固沉积成为一个截面层，反复沉积，最终形成三维模型。

UP！打印机采用单喷头机构，用ABS丝材。对主动齿轮进行加工：1）启动 UP！软件，载入三维模型，编辑，参数设定，分层计算；2）打开三维打印机，系统上电，启动“初始化”命令，让打印系统执行初始化操作；3）设定喷嘴高度，使喷嘴和工作台有一个合适的距离；4）平台预热达到100℃，三维打印；5）打印完成，取下打印平板，取出模型；6）模型后处理。

2.2 确定成形方向

在FDM 工艺中工件的成形方向会影响打印件的精度和质量、打印效率、支撑材料多少和支撑去除难易程度等。一般的原则：垂直面比斜面质量好；水平方向的精度和强度比垂直方向的要好；垂在直面上的圆形孔、圆柱质量比在水平面上的差。主动齿轮模型尺寸为76.80×76.80×68.36mm，若按层厚同为 0.2mm计算，按图4（a）～图4（c）所示的三种方向放置进行打印，得到结果如表1所示。

图4 三种成形方向

根据表1，从加工时间、丝材消耗的比较，显然（a）优于（b）和（c）；（b）的零件成形质量会较差，有较明显的阶梯效果。另外（b）和（c）打印零件的支撑材料要比（a）多，尤其是在齿轮的钩杆上，支撑材料的去除比较困难，对钩杆表面质量影响较大，钩杆曲面的成形质量较差。所以（a）的成形方向最好。

表1 不同成形方向的加工比较

2.3 确定层厚

Up！三维打印机的成形厚度为0.15mm～0.4mm，其中以0.05mm为增长数可调分层厚度。表2为不同层厚的加工比较。

表2 不同层厚的加工比较

从表2可以看到层厚越小，层数越多，加工时间越长，耗材越少和分层误差一般较小。层厚0.15mm的打印时间比层厚0.2mm时增长较多；层厚0.25mm的分层误差虽比0.2mm时小，但0.25mm层厚加工出的曲面成形效果较差。打印时间越长，翘曲变形情况越明显，所以零件的加工时间不宜太长。所以从加工效率、精度等综合考虑，加工时可取层厚为 0.2mm。

2.4 确定填充路径

Up！软件的填充路径为上述方式的第一种，其中轮廓侧面的表面填充层层数固定为2层，内部填充角度值固定为45°。要设定的参数包括轮廓水平面上的表面填充层层数（也可定义为密封层）和内部填充的行距。

表3 不同密封层数的加工时间和耗材(此实验行距取4mm)

齿轮为运动机构，加工后对强度有一定的要求，要能实现其装配和运动效果。密封层越多，行距越小，模型的强度越好，但加工时间也越长和材料消耗越多。从表3可以看到密封层增加时，材料消耗和加工时间的增长变化较少。从表4得出的数据看，行距对材料消耗和加工时间的影响较大，其中行距1mm和2mm之间的数据变化最大。综合上述，密封层为5和行距为2mm时较为合理。

表4 不同内部填充距的加工时间和耗材（密封层取5）

2.5 确定支撑角度

针对主动齿轮模型，为确保钩杆曲面部分的叠加成形效果，防止变形或下榻等情况，设定支撑角度一般应为45°以上。

表5 不同支撑角度的加工时间和耗材

从表5看到，当支撑角度从45°增加到60°时，对材料消耗和加工时间的影响不大，但当为80°时有了较大的增加。支撑角度为80°时，会产生很多不必要的支撑，对零件的成形效果没有帮助，反而会增加去除支撑的时间，影响表面质量。综上所述，支撑角度可定为60°。

2.6 打印结果

现FDM普及式三维打印机为了更利于学习和使用，系统软件中一般不再进行具体扫描速度和推料速度值的设定，而是直接以软件默认的速度运行加工，具体速度值不能更改。当然也会有一些选项选择来影响速度，其中up！软件中加工质量的选项：正常加工、加快加工、精细加工。三个选项中喷头的扫描速度和推料速度会有所不同，例如精细加工时，两个速度值都会相应变小。层厚为0.2mm，密封层数5，行距为2mm，支撑角度为60°，选择正常加工，最后主动齿轮模型加工用时为5h16m，ABS耗材68.1g，如图5(a)所示，经移除支撑材料后，模型如图5(b)所示，具有较好的表面质量和强度。

图5 SCMW主动齿轮模型

3 结论

本文阐述了FDM工艺中的重要工艺参数，针对椭圆环截面SCMW齿轮的特点进行了工艺优化。成形方向要以加工时间、材料消耗、支撑量多少及零件成形质量来综合考虑；层厚越小，精度越好，但加工时间也越长；填充路径中不同的密封层数和行距形成不同强度的工件；设置支撑角度时要在支撑材料的最小值与零件的质量和移除支撑材料的难易程度之间形成一种平衡。最后直接运用FDM三维打印机加工得到主动齿轮模型，取得较好的成形精度和强度，对三维打印产品具有一定的参考意义。

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