增减材复合制造加工FDM薄壁样件研究*

彭二宝 陈昌铎

( ①武汉理工大学，湖北 武汉 430000；②河南工业职业技术学院，河南 南阳 473009)

当前工业制品越来越朝轻量化方向发展，薄壁塑料件结构轻薄，完美符合该理念，应用越来越广泛。但是薄壁塑料件的缺点在于结构复杂，难于加工，相应注塑模具的设计和制造也很复杂[1]。采用数控加工技术可降低其加工过程的难度，但是对于复杂形状塑料零件的数控加工依然难以实现，需要高精度的机床和多工位的夹具设计，实际操作起来纷繁复杂，一般的中小企业不具备这样的技术和条件[2]。3D打印技术由于是对模型使用增材制造，逐层打印叠加，对于复杂的模型的制造有着天然优势，但由于 FDM技术的表面精度受到加工原理的限制，难以生产出高表面精度的产品[3]。 鉴于此，本文结合增材制造和减材制造，改造传统独立双喷头3D打印机，修改右侧喷头为数控铣刀，在3D打印模型切片时对模型外轮廓进行识别并进行处理生成数控加工代码，自动集成到3D打印G代码中，可对薄壁零件进行直接打印，并获得高精度的表面质量。新的增减材复合打印机可便捷地加工出高表面精度的3D打印件。

1 增材制造和减材制造

增材制造就是俗称的3D打印，其融合了材料加工和成型技术、烧结技术等增材加工技术，以3D模型文件为基础，通过软件与数控系统将专用的聚合物材料，通过挤压、熔融、光固化、喷射或者烧结等方式逐层堆积，制造出实体物品的加工技术[4]。增材制造和传统的减材制造相比，减材制造对原材料进行去除、切削、剔除多余材料，而增材制造是与减材制造相反的制造方法，它自下而上，逐层材料累加，实现实体从无到有的过程。增材制造摆脱了传统加工复杂工装夹具的限制，可以使无法实现的复杂结构件制造变为可能[5]。

熔融沉积成型(fused deposition modeling，FDM)是3D打印技术的一种工艺，其特点是结构简单，操作方便。可使用无污染的材料，使用和维护成本都比较低。FDM目前已成为应用最为普及的3D打印技术之一，可以在办公环境下使用。其工作原理是在打印平台上通过逐层堆积材料，一层一层的叠加，最终得到制造对象或原型[6]。由于层层叠加产生最终公环境下使FDM加工件表面有较明显的条纹，因此需要对其进行后处理，通常的后处理有去除支撑、打磨及抛光等。手工打磨可使用锉刀或砂纸，或者也可使用打磨机、喷砂机，由于不能精准控制，对成型件表面处理不够均匀[7]。利用数控加工对 FDM成型件进行后加工也可以有效的提高成型件的表面质量，但是需要额外编写数控代码，需要专业用户，普通用户无法做到。

2 基于FDM的增材与减材复合制造

本文基于增减材复合制造实现对FDM工件的表面质量提升，通过切片软件的修改实现自动生成增材和减材的复合G代码文件。

2.1 FDM过程中产生的误差分析

首先，先对FDM过程中产生的误差进行分析：

(1)设备误差：设备误差是FDM打印机本身机械物理系统的误差，是造成成型件质量差别的原始设备的硬件根源。当3D打印机选定和工作环境固定了以后，设备误差基本就确定了，当对3D打印机进行硬件更新后，设备误差会出现新的变化。

(2)耗材热收缩引起的误差：3D打印机材料经过加热后会软化熔融并从喷嘴挤出，逐层堆积在打印平台上，直到最后一层打印完毕后成为固态3D打印成品。在这个过程中引起误差的主要原因是热收缩。热收缩是指在成型过程中，由于材料固有的热膨胀率而产生的体积变化。3D打印成型过程中热收缩会引起零件表面出现内外轮廓差，这不仅仅会产生尺寸误差，同时还可能引起内应力集中，严重时会造成翘曲变形。不同的耗材产生热收缩一般都不同，所以多喷头打印时还要考虑不同材料的热收缩差异[8]。

(3)后处理过程引起的误差：FDM成型完成后，还需要对零件进行退火[9]，表面抛光、打磨、去除支撑等后处理，这些操作也可能会对成品精度产生影响[10]。

2.2 FDM过程减材制造切入点

经过对切片软件生成的FDM加工代码进行研究和分析，跳过前面的注释，在主加工代码部分，发现每层加工代码都由附着类型、外壳(包含内墙、外墙)和填充等几部分组成；代码排列的先后顺序也就是打印执行的先后顺序，一般3D打印执行的顺序依次为外壳中的外墙，外壳中的内墙、填充。

FDM加工成型时，先进行外壳即外墙或内墙的打印，在轮廓粘结点后再打印填充，可以获得更好的粘接效果，这样可以保证内部的填充质量，成品具有更好的机械强度。 图1是示例模型薄壁花瓶的中间一层的立体模型分解图，图1a是立体模型， 图1b包含外壳和填充，图1c仅显示了外壳，包含了外壳和内壁，图1d仅显示填充。

在切片软件，比如Cura所得到的G代码文件中不同的打印走线类型在打印开始的地方会用注释标注，如下是几种主要的走线，支撑、外墙、内墙、顶/底层和填充。如图1c显示的即是是内墙和外墙的轨迹，而图1d显示的是支撑的轨迹。在解析出实体的外墙轮廓后，可以为后续减材制造的铣刀加工提供路径生成的支持。

分析FDM切片软件生成的3D打印G代码，对比实际打印过程中的熔料堆积过程，可以发现G代码与几何组件、打印路径、内部填充、起始/终结点之间的关系。一般情况下是先打印支撑，然后打印外墙，再内墙，在顶层或底层还会打印顶/底层，最后打印填充。

加工代码包含：

;TYPE:SUPPORT 打印支撑

;TYPE:WALL-OUTER 打印外墙

;TYPE:WALL-INNER 打印内墙

;TYPE:SKIN 打印顶/底层

;TYPE:FILL 打印填充

除了以上的代码，一个完整的FDM加工代码还包括控制运动的G代码，定义移动到哪，移动的速度是多少，移动的路径是什么等等，以及辅助功能的M代码，如设置温度，设置加速度，设置加加速度等等[11]。复杂的3D打印机也有一些新增的功能代码，如双/多喷头打印，T0、T1用于切换喷头。

经过以上分析，在对原有G代码的分析后可以获得外墙的打印轨迹，在此基础上，根据所选铣刀的直径通过刀具补偿可以计算出铣刀轴的运动轨迹。另外根据表面精度的要求对增材的每一层做减材制造的细分，比如说增材制造层高为0.2 mm，对应该层的精度要求细分为5层，则该层的铣刀对外轮廓的减材加工会走5层，每层的Z向变动是0.04mm。而这5层的XY向的变化，切片软件可以根据工件的轮廓自动计算出来。

2.3 FDM表面质量分析

FDM的优势是可以成型复杂结构的薄壁零件，但不足之处是成型件的表面质量不高，而减材加工可以弥补这个不足，可以实现高精度的切削，能够显著提高成型件的表面质量[12]。通过对FDM的成型原理和过程分析发现，造成成型件表面质量不高的原因在于熔融沉积成型时外围轮廓熔料层层叠加导致的阶梯效应，如图2所示，由于FDM是由喷嘴吐出的材料一层一层堆叠而成，堆叠的材料之间可能有间隙，同时由于堆叠和线宽和层高的不同，也导致3D模型表面的质量的差别。每一层熔料沉积时在轮廓外墙的这种阶梯效应导致了表面质量精度受到限制，通过减材加工正好可以去除表面熔融沉积导致的阶梯效应，等同于精加工轮廓外墙，这是本文设计基于FDM增材与减材复合制造数据处理系统的切入点。

3 增减材复合制造工作原理

基于 FDM的增材与减材复合制造的切入点即是通过减材加工去除由于FDM制造过程中轮廓外墙层层叠加导致的台阶效应，进而提高 FDM成型件的外表面质量，实现增减材复合制造。

增减材复合制造的原理是在原来3D打印的过程中集成减材制造，具体是通过改造一个双喷头打印机，把原有的副喷头改装为一个数控铣刀，原来的主喷头做增材制造，铣刀做减材制造。铣刀的路径通过切片软件识别模型的外墙并做刀具补偿和速度控制，使其可以自动的集成到整个3D打印的G代码中[13]。

如图3是FDM增减材复合加工流程图，其主流程是在进行腔室，平台和喷嘴的预热后，进入到打印模型的操作，每一层的加工操作分为增材制造部分和减材制造部分。增材制造先切换到左喷头，然后打印外墙、打印内墙，假如处于顶层的话，会打印顶/底层，然后打印填充。减材制造部分会先切换到右边的铣刀，然后程序会设置刀补半径，再对打印件的外墙进行粗铣，假如需要的话，可以再进行一轮精铣以获得更好的表面质量，精铣会在Z向进给上更加细分。

在切片过程中，从FDM切片软件的模型识别入手，通过识别FDM模型中的每一层的外墙路径，增加刀具补偿半径，作为右侧铣刀的刀具运行轨迹。结合调整减材加工中工艺参数，包括主轴转速、切削深度和进给速度等等，将外墙打印的路径特征通过切片软件二次开发处理生成减材加工刀具路径代码，并通过切片自动生成增减材复合制造的加工代码。最终输出集成增减材制造的复合代码，用复合代码来控制复合加工机床的增材部分与减材部分工作[14]。

对于用户来讲，切片的输入为仍然为通用的3D模型，如STL文件，只有辅助加工喷头(右喷头)改装成了数控铣刀，通过简单的配置减材加工工艺参数，也可以配置需要减材处理层数，最后通过切片软件生成增减材复合的集成G代码。

4 实例研究

在实验中通过改造一台独立双喷头3D打印机来实现增减材复合制造的打印和测试。

4.1 试验设备和仪器

增材与减材复合制造系统通过对如图4的独立双喷头的3D打印机进行改造，左喷头保持不变，把原来的右喷头改装成铣刀，用于加工打印模型的表面。左喷嘴采用0.4 mm直径的喷嘴，材质为PLA，线径为1.75 mm。铣刀采用直径4 mm的硬质合金55°立刃铣刀，可满足大多数情况下的表面粗、精铣，当处理外表面半径小于2 mm的凹槽时，需要更换更小直径的铣刀。

试验的材料为聚乳酸(polylactic acid， PLA)，PLA是一种生物降解材料，通过提炼可再生的植物资源如玉米中的淀粉原料制成。它的机械性能和物理性能都很优异，可用于吹塑、热塑等各种塑料加工方法，加工方便，因此也受到3D打印的青睐，在3D打印中应用十分广泛。3D打印与铣削试验中所用的是丝状PLA，直径为1.75 mm。铣削试验中所用刀具为直径为4 mm的涂层双刃硬质合金55°立铣刀。

试验加工对象为如图1的薄壁花瓶，带有6个翼的轮边。长66.20 mm，宽61.17 mm，高111.55 mm，最薄处的壁厚0.3 mm。假如用普通的减材加工或者吹塑成型难度较大，加工工艺复杂。

4.2 增减材复合制造过程中遇到的问题和对策

由于增材与减材复合制造技术发展还不够成熟，缺乏深入的理论指导，所以在实际加工制造过程中也遇到一些问题：

(1)底板支撑结构的稳定性

由于FDM薄壁具有复杂结构而且材料相对较软，因此在增减材复合制造加工的过程中，需采用刚度很高的夹具或底板支撑结构来强化工件与平台内部的稳定性，在增减材的加工过程中，打印喷嘴和铣刀重复的切换动作中，工件的定位要至始至终保持精准，刀具和被加工件表面接触时，底板工件固定结构充分稳定且被加工件的变形很小，在承受刀具切削力不至于产生较大的偏差。因此，底板支撑结构需要根据相应的零件结构、材料及加工方式做对应的优化。

(2)增减材复合加工的时序

增减材复合加工的过程中时序尤其重要，由于外壁的形状约束和铣刀直径的尺寸限制，并不能在增材加工完整成型后再做减材加工，必须逐层进行增材和减材的加工。而减材加工的切削深度、刀补等都需要根据实际的成型件轮廓来设定，最终产生的增材喷嘴轨迹和减材刀具路径需要在切片软件中事先进行模拟，有些还需要进行人工优化。

(3)加工质量的实时在线检测和反馈

对于一个闭环增减材复合制造系统，能够实时根据在线加工件实体的形状和数据，反馈给系统用于指导和优化后续加工参数和策略可以大大提高整个系统的综合性能。增材制造中可以实时检测喷嘴温度和腔室温度，及时检测是否造成加工成品的的质量问题如翘曲、开裂。减材加工过程中，也可以实时检测到被加工件表面的缺陷，判断切削深度，主轴转速等参数是否需要调整，及时对下一层的加工做出动态变化。也可以在切片软件中做出对应参数的优化，使增减材复合制造系统的成型件获得更好的质量。

4.3 结果分析

4.3.1 外观比较

试验结果表明，通过增减材复合制造的表面质量明显好于仅增材打印模型的表面质量。如图5a为增减材复合制造加工出的模型，图5b为纯增材加工出的模型。可以看出增减材复合制造加工出的模型外壁光滑，看不出明显的纹路。而纯增材加工出的模型有明显的纹路，看得出有每层堆叠的痕迹。

图6a为增减材复合制造加工出的模型顶面照片，图6b为纯增材加工出的模型的顶面照片。由照片可以看出增减材复合制造加工出的顶面光滑，看不出明显的加工纹路，而纯增材加工出来的花瓶顶面有明显的纹路，可以看到层次分明的堆叠现象。

4.3.2 表面粗糙度分析

为了进行定量分析，实际根据不同的数控加工参数测定了12组表面粗糙度的数据，如表1。

为了研究FDM打印件的表面质量影响因素，如表1所示，实验研究了主轴转速、进给速度和切削深度等数控加工参数对FDM工艺成型件的表面粗糙度的影响。因为试验对象的壁厚很薄，所以我们仅选择了两种切削深度分别为0.04 mm和0.08 mm，进给速度为0.1 mm/min和0.2 mm/min，对应不同的切削深度和进给速度，分别调整主轴转速做实验。实验发现，在增材制造和减材制造相结合后，后续的减材制造可以有效提高FDM工件的表面精度。铣刀切削深度设为0.04 mm，进给速度设为0.1 mm/min时，主轴转速设为500 r/min，表面粗糙度Ra可达到2.48 μm。当主轴转速为800 r/min时，表面粗糙度Ra可以达到2.36 μm。当主轴转速设为1 000 r/min时，表面粗糙度Ra可达2.25 μm。当主轴转速再往上提升时，表面加工质量提升不明显。另外切削深度的降低和进给速度的降低也能降低表面粗糙度Ra的数值，提高表面质量。而纯增材制造层高为0.2 mm时的表面粗糙度Ra为0.1 mm左右。 所以通过增减材复合制造可以使表面质量提高接近50倍(表面粗糙度Ra从0.1 mm提高到0.002 mm)。

表1 减材加工参数对表面粗糙度Ra的影响

5 结语

针对增材制造中的FDM成型工艺所产生的阶梯效应导致的表面质量不高的问题，文章研究了增减材复合制造的设备、方法和实施途径。该研究可以有效解决FDM成型方法表面质量低的难题，可使表面粗糙度Ra从0.1 mm提高到0.002 mm，对于薄壁复杂结构塑料零件的加工，通过改造的增减材打印机可以全自动生成复合加工G代码，大大提高了增减材复合制造的效率。