FDM工藝參數(shù)對成型制品表面粗糙度影響的研究

鄔宗鵬

（安徽工業(yè)大學(xué) 工程實(shí)踐與創(chuàng)新教育中心，安徽馬鞍山 243002）

0 引言

熔融沉積（Fused Deposition Modeling，F(xiàn)DM）快速成型是一種基于噴射的成型技術(shù)，具有成本低、成型速度較快、無污染等特點(diǎn)［1］。在FDM成型加工過程中，每一個(gè)環(huán)節(jié)都可能會(huì)引起誤差，這些誤差嚴(yán)重影響了FDM制品的成型精度，作為其中重要因素的工藝參數(shù)，將會(huì)直接引起成型制品表面粗糙度的較大差別，因此應(yīng)在加工之前予以考慮。本文利用北京殷華GⅡA型快速成型機(jī)，通過制品加工試驗(yàn)，考察不同的工藝參數(shù)對制品表面粗糙度的影響，以期為后續(xù)的成型制品精度分析提供理論參考依據(jù)。

圖1 FDM快速成型工藝原理圖

1 FDM快速成型的工藝原理

熔融沉積是將絲狀的熱熔性材料加熱熔化，通過帶有一個(gè)微細(xì)噴嘴的噴頭擠噴出來，其工藝原理如圖1所示。

噴頭裝置在計(jì)算機(jī)的控制下，可根據(jù)加工工件截面輪廓的信息作X、Y平面運(yùn)動(dòng)，而工作臺(tái)則作Z方向，即垂直高度的運(yùn)動(dòng)。熱塑絲材（ABS、蠟絲及尼龍絲等）由供絲機(jī)構(gòu)送至噴頭，并在噴頭中加熱至熔融狀態(tài)，然后被選擇性地涂覆在工作臺(tái)上，快速冷卻后形成加工工件截面輪廓。當(dāng)一層成型完成后，工作臺(tái)下降一截面層的高度，噴頭再進(jìn)行下一層的涂覆，如此循環(huán)，最終形成三維制品［2］。

2FDM系統(tǒng)的主要工藝參數(shù)

在FDM快速成型系統(tǒng)中，盡管諸多因素對成型制品精度或加工時(shí)間都有或多或少的影響，但主要還是由少數(shù)幾個(gè)工藝參數(shù)來控制的，本文選取了3個(gè)最重要的工藝參數(shù)在成型加工之前必須予以考慮,它們分別是分層厚度、成型溫度、成型角度。

1）分層厚度。即制品成型過程中每層切片截面的厚度，該參數(shù)與所用噴嘴類型有關(guān)，一般取0.15～0.4 mm。

2）成型溫度。包括噴嘴溫度與環(huán)境溫度。噴嘴溫度是指噴頭加熱到一定值時(shí)的工作溫度。環(huán)境溫度則指成型系統(tǒng)工作時(shí)制品周圍環(huán)境的溫度，通常是成型設(shè)備工作室的溫度。

3）成型角度。制品與成型室三維坐標(biāo)系的夾角，如圖2所示,α為長方體模型與XOY平面的夾角，即將長方體繞X軸旋轉(zhuǎn)了α角。

圖2 制品成型角度

3 工藝參數(shù)對制品表面粗糙度的影響

3.1 分層厚度對表面粗糙度的影響

使用半徑為10mm的半球作為試驗(yàn)件，分別在0.2mm、0.3 mm和0.4 mm的分層厚度時(shí)加工成型，其它工藝參數(shù)取默認(rèn)值，加工后的試件如圖3所示。

圖3 半球試驗(yàn)件

成型數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 半球試件的不同分層厚度成型數(shù)據(jù)

從成型實(shí)物可以明顯看到0.2 mm分層厚度的半球試件表面粗糙度比0.3 mm與0.4 mm的試件小。當(dāng)成型角度取90°時(shí)，根據(jù)表面粗糙度公式可計(jì)算出粗糙度值分別為Ra0.1、Ra0.15和Ra0.2。因此分層厚度越小，制品的表面粗糙度值也越小，但所需成型時(shí)間會(huì)變長，加工效率降低。相反則表面粗糙度值變大，加工效率相對提高。所以實(shí)際成型加工過程中，為了減小制品的表面粗糙度，在時(shí)間合理允許的情況下，應(yīng)選擇較小的分層厚度。

圖4 長方體驗(yàn)件（成型角度）

3.2 成型角度對表面粗糙度的影響

使用20 mm×10 mm×5 mm 的長方體模型作為試件，分別在 30°、60°、90°的成型角度上進(jìn)行成型，分層厚度取 0.3 mm，其它參數(shù)取默認(rèn)值，成型后的試件如圖4所示。

表面粗糙度為0是不可能的，從成型試件上可用肉眼觀察到表面質(zhì)量的不同，30°的成型試件表面十分粗糙，凹凸不平，絲材出現(xiàn)紊亂，60°時(shí)表面質(zhì)量明顯較30°有所提高，90°時(shí)粗糙度值最小，在分層厚度取值相同的情況下，制品成型角度與粗糙度值之間成反比關(guān)系，角度越大，表面粗糙度值越小。

3.3 成型溫度對表面粗糙度的影響

成型溫度包括設(shè)備噴嘴和成型室兩個(gè)溫度，首先是噴嘴溫度，其決定了材料的粘接性能、堆積性能、絲材流量以及擠出絲寬度。北京殷華GⅡA型快速成型機(jī)噴嘴溫度默認(rèn)值為240℃，在實(shí)際加工中，制品成型前需對噴嘴進(jìn)行升溫與清洗，通過試件成型時(shí)的溫度設(shè)置及試驗(yàn)，得到不同的試驗(yàn)結(jié)果。GⅡA型成型材料為ABS B601，為了節(jié)約材料，選擇8件20 mm×10 mm×5 mm長方體作為試驗(yàn)件對象，經(jīng)過加工后不同長方體試件表面粗糙度間的比較，得出噴嘴溫度合理范圍，如圖5所示。

從圖5中可知，成型的噴嘴合理溫度范圍區(qū)域是220～260℃，在這個(gè)溫度范圍內(nèi)，制品的成型質(zhì)量是正常的，實(shí)驗(yàn)表明，小于220℃時(shí)，成型絲材ABS難以融化，黏度加大，材料擠絲速度變慢，噴嘴容易發(fā)生堵塞，并且材料層面粘結(jié)強(qiáng)度降低，從而引起層間剝離，導(dǎo)致制品成型失敗，大于260℃時(shí)，材料則偏向于液態(tài)，黏性系數(shù)變小，流動(dòng)性強(qiáng)，擠出過快，無法形成可精確控制的絲，制品的表面粗糙度值較大，精細(xì)輪廓難以成型，甚至出現(xiàn)表面起皺和制作時(shí)材料“塌陷”現(xiàn)象。

圖5 噴嘴溫度范圍圖

圖6 成型室溫度范圍圖

其次是成型室溫度，它會(huì)影響制品的表面質(zhì)量及熱應(yīng)力大小。殷華GⅡA型FDM快速成型機(jī)的成型室溫度可調(diào)范圍為30～100℃，因而需選擇8件試件，鑒于此前已建好的三維模型，仍將20 mm×10 mm×5 mm的長方體作為試驗(yàn)樣件，在成型室溫度分別為30℃、40℃、50℃、60℃、70℃、80℃、90℃和100℃時(shí)成型，比較得出成型室合適溫度范圍，如圖6所示。

從圖6中可以看到制品成型時(shí)成型室的合適溫度為40～80℃，若溫度過高，雖然有助于減少熱應(yīng)力，但試件表面易起皺，粗糙度值變大；而溫度過低，從噴嘴擠出的絲驟冷使成型制品熱應(yīng)力增加，容易引起試件翹曲變形，同樣表面粗糙度值也變大。

4 結(jié)語

在FDM快速成型加工中，表面粗糙度影響著最終制品的質(zhì)量，它們對FDM技術(shù)能否拓展到更多應(yīng)用領(lǐng)域起著關(guān)鍵性甚至是決定性作用。本文針對目前FDM快速成型制品精度不高的情況，對影響FDM快速成型制品表面粗糙度的工藝參數(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)分析，通過試驗(yàn)研究了它們對制品的表面粗糙度的影響，實(shí)踐證明，利用上述試驗(yàn)的結(jié)果能夠很好地實(shí)現(xiàn)主要工藝參數(shù)的合理控制與設(shè)置的目的。

［1］ 劉偉軍.快速成型技術(shù)及應(yīng)用［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005：12.

［2］ 莫建華.快速成型及快速制模［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2006：155.