基于FDM技术的快速成型模型表面质量研究

2018-03-29余得贤

现代盐化工 2018年1期

余得贤

快速成形技术（Rapid Prototyping，RP）是将计算机辅助设计（Computer Aided Design，CAD）、计算机辅助制造（Computer Aided Manufacturing，CAM）、计算机数字控制（Computer Numerical Control，CNC）、精密伺服驱动、激光和材料科学等先进技术集于一体的新技术，是一种基于离散堆积成形思想的技术。在经过几十年的发展后，已经在不同的领域得到广泛的应用，比如医疗器械、汽车工业、航空航天、珠宝饰品行业和建筑行业等行业。

凭借快速成型技术的高生产效率，用来制作模型手板具有相当的优势，采用快速成型技术来制作模型手板也逐渐得到广泛应用。当中以熔融沉积成型（Fused Deposition Modeling，FDM）为原理的3D打印机的使用最为普遍，由于FDM技术本身的成型原理，会导致打印完成的模型表面质量存在一定的缺陷。本研究主要是以FDM为原理的3D打印技术为对象，简要分析了影响表面质量的原因，以便在实际打印过程中采取相应措施，来提高模型的打印质量。

1 FDM成型工艺流程

FDM成型工艺流程如图1所示。从工艺流程来看，使用3D打印机来制作模型的时候，每个环节都存在一定工艺上的误差。在对模型近似处理时，由于STL文件的原理是采用许多细小的三角形近似逼近原三维CAD模型，不能完全代替真实的模型表面，所以总会带来一定程度的误差。在模型打印过程中，由于3D打印机在设计、生产及安装过程中，不可避免会存在制造上的误差及零部件装配上的误差，会间接对成形模型带来误差。在FDM成型工艺流程中，FDM原理上的误差对模型表面质量影响较大。

图1 成型工艺流程

FDM成型原理如图2所示，可以发现，采用FDM技术的3D打印机，在对模型成型过程中，通过采用一定厚度的切片来近似地逼近模型的外部轮廓形状，通过这种方式逐步“生长”成型。那么这些具有一定厚度的切片所堆积起来的造型，在边缘部位不可避免地会产生阶梯状的误差，我们暂且称作“阶梯效应”，如图3所示，这也是影响模型表面质量最主要的原因之一。

图2 FDM成型原理

图3 阶梯效应

2 阶梯效应理论模型

本研究以圆锥造型为例，在采用以FDM为原理的3D打印快速成形来制作圆锥模型中，其成形件的阶梯误差模型如图4所示。

从中我们发现，δ为FDM分层制造中，每一堆积层边界的下端点与成形件CAD模型理想边界的最大距离，它反映的是该阶梯效应的情况，也反映出成形模型的表面在每一堆积层边缘的内凹情况，间接反映出成形模型的表面质量，那么δ可作为成形模型表面质量的衡量指标之一，我们称其为模型表面粗糙度系数。

图4 夹角α＜90°的情况

在打印分层厚度t确定的情况下，δ的计算公式如下：

当夹角α继续增大后（α＞90°），就会出现新的情况，如图5所示。这时候的模型表面会出现悬空的情况，在采用FDM原理的3D打印机中，对悬空的部分需要打印出支撑，才能使模型悬空的部位能够顺利打印。

在打印分层厚度t不变的情况下，δ的计算公式如下：

图5 夹角α＞90°的情况

由公式（1）及公式（2）以及从表1及表2不难发现：δ与t成正比例关系，而与α成反比例关系，（α＜90°）；δ与t成正比例关系，与α也成正比例关系，（α＞90°）。

假设分别进行打印分层厚度为0.15 mm及0.2 mm的模型，那么其表面粗糙度系数δ与厚度t之间的关系如表1～2所示。

表1 小于90°δ与模型表面夹角的关系

表2 大于90°δ与模型表面夹角的关系

3 实际打印

我们选取了两组模型来进行打印比较，在A组模型中，如图6所示，其打印的夹角α保持不变，分别打印出分层厚度t为0.1 mm及0.3 mm的两个模型，通过实际打印来判断δ与分层厚度t之间的关系。在B组模型中，如图7所示，其打印分层厚度t保持不变，分别打印出不同α夹角的两个模型，通过实际打印来判断δ与夹角α之间的关系。