FDM快速成型精度及其影响因素分析

2016-01-31高善平

机电信息 2015年36期

关键词：原理精度

高善平

(泉州信息工程学院，福建泉州 362000)

FDM快速成型精度及其影响因素分析

高善平

(泉州信息工程学院，福建泉州 362000)

摘要：主要根据FDM熔融堆积成型的工艺过程，分析了产品从预处理到成型过程再到后处理的主要误差及影响因素，为FDM成型工艺的优化及成型精度的提高提供了有效依据。

关键词：FDM；精度；原理

项目来源：2014年福建省中青年教师教育科研项目，项目名称：FDM快速成型的工艺优化研究，项目编号：JA14459

0引言

近年来，随着全球市场一体化的形成，市场上产品的种类越来越多，消费者的需求日新月异，产品制造呈现出多品种小批量生产的状态。为了满足消费者需求，快速响应市场，就要求企业的制造技术有较强的灵活性，且产品开发速度较快。

20世纪80年代后期，快速成型技术作为新技术诞生，它可以自动、直接、快速、精确地将设计思想转变为具有一定功能的原型或直接制造零件，从而为零件原型制作、新设计思想校验等方面提供了一种高效低成本的实现手段。该技术使得产品的加工周期缩短(加工周期节约70%以上)、成本降低(制造费用降低50%)，大大提高了制造业快速响应市场的能力。其中，FDM熔融堆积成型以其使用、维护简单，成本较低，速度快，体积小且无污染等特点，被广泛应用于家用电器、办公用品、模具行业新产品开发以及假肢、医学、医疗、大地测量、考古等基于数字成像技术的三维实体模型制造。但受成型设备、成型材料、系统软件、制件精度与强度的限制，FDM制件只停留在样品制造及装配实验等方面，而无法跟生产达到无缝结合。因此，提高FDM成型制件的精度和强度对于未来制造业的发展是非常有意义的。

1工作原理

1.1　成型设备组成及原理

FDM成型机主要由加热系统、碰头、供丝系统、运动系统、工作台等组成。控制系统根据成型工艺驱使运动机构带着碰头沿着工件的轮廓运动，与此同时供丝系统以一定的速度将丝材送入碰头加热室，通过加热系统将丝材加热成熔融状态后由喷头挤出，沿着工件层轮廓涂抹在XY面工作台上，同时工作台做Z向运动，每完成一个轮廓的扫描，工作台下降一个工作层的距离，依此循环扫描，最终形成物体模型。

1.2　成型工艺过程

FDM熔融堆积成型主要是系统根据零件的3D数据模型，将ABS或者PLA材料熔融，并通过挤压、扫描，一层层堆积最终形成实物的，其工艺过程如图1所示。

图1　FDM成型工艺过程

2成型主要误差分析及解决措施

根据FDM快速熔融挤压堆积成型的基本原理及工艺过程可知，影响FDM成型件精度的因素主要包括原始性误差、成型误差及后处理误差等，如图2所示。

图2　误差影响因素

2.1　预处理误差

2.1.1　文件拟合误差

FDM快速成型工艺的第一步就是将零件的3D数据模型转化为成型系统能够识别的STL格式，而STL数据模型是利用小三角面片来逼近实体模型，此过程采用近似法实现，本身破坏了零件3D数据的真实性。该方法在处理纯平面的实体模型时基本没什么差别，但是在处理曲面时却出现了较大的误差，特别是一些复杂的曲面模型，会在交接处出现缝隙、重叠和畸变等现象，从而导致了模型的精度下降。

2.1.2　切片分层误差

与传统的加工制造相似，快速成型之前也需要进行零件成型的工艺编制，并形成数控程序文件，该过程又引入了新的误差。

(1) FDM的数控工艺文件用标准的CLI格式，该数据是采用近似逼近曲线的方式拟合零件层轮廓，该过程必然产生模型误差，降低零件的成型精度。

(2) 分层后的Z向误差。分层，即将零件的3D数据模型根据一定的标准分为若干等份，一般我们设置为每层0.2、0.25、0.3等。当实体的模型正好为分层厚度的整数倍时，Z向尺寸误差极小，可不考虑。但是当其为非整数倍时，多出来的部分无论大小，将用一个分层厚度来填充，这将给零件加工前的处理进一步带来误差。当然，对于简单的零件我们可以取一个刚好是整数倍的参数进行加工，但成型件结构并不是一成不变的，这就要求我们有一个智能的分层系统，能够自行处理数据模型中的不同数据，以保证工艺文件精度最佳，从而保证加工精度。

(3) 分层后的表面粗糙度问题。在对STL文件进行切片时，会破坏零件表面的连续性，同时丢失了层与层之间的数据，导致模型的形状精度受到影响，同时在成型过程中将会引入阶梯误差，大大增大零件的表面粗糙度。针对该情况可以减小分层厚度来削弱误差，但会使加工效率大大降低。

2.2　成型过程中的误差

2.2.1　成型系统误差

成型系统主要指的是加工设备的机械系统，其为成型过程的基础元件，其硬件设备的精度直接影响到成型精度。成型过程中主要是喷头沿XOY面的扫面运动及工作台的Z向运动，其误差主要包括以下两方面：

(1)XY面的平面度及其与导轨的垂直度。该误差会使工件的形状精度受到影响。

(2)Z向运动误差及定位误差。Z向运动误差会使成型厚度不均，导致零件表面的阶梯误差变大，影响工件的表面粗糙度。

2.2.2　喷头引起的误差

喷头误差会导致成型件尺寸比设计尺寸大。在对STL文件进行分层时二维轮廓线是理想轮廓状态，即零宽度，然而在加工的过程中，喷头喷出的熔融态丝材是有一定宽度的，相当于挤出丝截面的宽度，所以当喷头沿理想轮廓线进行扫描时，最终形成的实体都会多出一个喷头线宽。

式中，W为丝截面宽度；D为喷头直径；h为分层厚度；Vj为挤出速度；Vs为扫描速度。

2.2.3　材料收缩导致的误差

FDM成型过程中材料经过加热熔融、挤出成型和冷却固化三个基本步骤，即固体—熔体—固体的物理变化过程，其主要产生热收缩和分子取向收缩两种误差。

(1) 热收缩。即材料因其固有的热膨胀率而产生的体积变化，它是收缩产生的最主要原因，由热收缩引起的收缩量为：

ΔL=β×L×ΔT

式中，β为材料的线性膨胀系数(/℃)；L为零件X向尺寸(mm)；ΔT为温差(℃)。

(2) 分子取向收缩。即由于高分子材料的不同取向使得成型件在XOY平面与Z轴的尺寸收缩率是不同的。XY方向的材料收缩量为：

ΔLXY=β×δ1×L×ΔT

式中，β为考虑实际零件尺寸的收缩受到成型件形状、尺寸、成型过程的工艺参数设置以及每一层成型时间长短的交互影响，可通过实验进行估算；δ1为材料XY方向的收缩率。

2.2.4　工艺参数误差

FDM成型过程中，影响成型件精度的工艺参数很多，主要应考虑11个比较重要的因素，即分层厚度、喷嘴直径、喷头温度、环境温度、挤出速度(又称沉积速度)、填充速度(指轮廓扫描速度或打网格速度)、理想轮廓线的补偿量、填充方式、网格间距、开启延迟时间、关闭延迟时间等工艺参数。很多研究者已经对各个工艺参数的含义进行了详细的阐述，这里不重复介绍，本文主要介绍主要工艺参数对成型件精度的影响。

(1) 成型温度包括喷头温度和环境温度。喷头温度必须使丝材保持在一个合理的熔融状态，并配合挤出速度等均匀挤出丝材，否则会导致出丝不均，从而使表面质量下降。而环境温度也同样影响成型件的表面粗糙度，如果温度过高，零件表面会产生“坍塌”与“拉丝”现象；如果温度太低，容易引起零件翘曲变形甚至开裂等。

(2) 挤出速度和扫描速度分别指的是丝材挤出喷嘴和随喷嘴运动的速度，在快速成型过程中，二者应该处于一个合理的匹配范围，否则会造成材料的过剩或不足。

(3) 成型方向。FDM快速成型对制件的成型精度影响很大，一般垂直与Z向的表面轮廓精度和表面粗糙度均有较高的质量，因此在成型过程中，最好将主要配合表面沿Z向成型，以确保制件质量处于最佳状态。