FDM技術(shù)原理特點(diǎn)及成型質(zhì)量分析

郭宇鵬　李玉新

【摘 要】介紹了FDM技術(shù)原理及特點(diǎn)，著重從FDM的前中后三個(gè)過程可能產(chǎn)生的誤差對(duì)FDM技術(shù)成型的尺寸精度、形狀精度和表面粗糙度的影響進(jìn)行了分析，并針對(duì)各因素的影響，給出了提高FDM質(zhì)量的方法。

【關(guān)鍵詞】FDM；成型質(zhì)量；尺寸精度；形狀精度；表面粗糙度

【Abstract】It introduces the principle and characteristic of FDM technology，the influence of dimensional accuracy，the shape precision and surface roughness about the possible error emphatically from the FDM in the three process are analyzed.According to the influence of various factors，it presents a method to improve the quality of FDM.

【Key words】FDM；Molding quality；Shape accuracy；Dimensional accuracy；Surface roughness

0 前言

隨著3D打印技術(shù)的飛速發(fā)展，熔融沉積成型技術(shù)（Fused Deposition Modeling，F(xiàn)DM）由于其成型速度快、成本低，已成功應(yīng)用于文化、玩具、模型制作等諸多領(lǐng)域，是最具發(fā)展前景的3D打印技術(shù)之一。其成型過程涉及模型預(yù)處理、成型材料、工藝參數(shù)設(shè)置及后處理等多個(gè)環(huán)節(jié)，每一個(gè)環(huán)節(jié)都可能引起誤差。通過對(duì)制件成型質(zhì)量分析來提高FDM質(zhì)量對(duì)未來制造業(yè)的發(fā)展是非常有意義的。

1 FDM技術(shù)的原理及特點(diǎn)

利用三維建模軟件生成實(shí)體模型，生成立體印刷的STL文件，然后將實(shí)體模型導(dǎo)入切片軟件（如Cura或者其他開源軟件）進(jìn)行分層切片獲取每層的截面輪廓，生成3D打印機(jī)可以識(shí)別的G代碼，而后設(shè)備控制器據(jù)此信息控制驅(qū)動(dòng)噴頭加熱、步進(jìn)電機(jī)自動(dòng)擠料系統(tǒng)等固件，由噴嘴擠出一層接一層的熱熔材料，形成一系列具有一個(gè)微小厚度的片狀實(shí)體，再采用粘接、熔接、聚合等手段將連續(xù)的薄型層面逐層堆疊成一體，便可以制造出所設(shè)計(jì)的新產(chǎn)品樣件、模型或者模具。FDM技術(shù)原理如圖1所示。

FDM技術(shù)和其它3D打印技術(shù)一樣，都是基于層層堆積成型原理，但它還具備以下幾個(gè)特點(diǎn)：

1）系統(tǒng)構(gòu)造和原理簡(jiǎn)單，其主要采用的是熱熔型噴頭擠出成型，運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用低，設(shè)備成本遠(yuǎn)低于激光和等離子等高能束加熱裝置成型的方法；

2）使用材料無毒環(huán)保，適宜在辦公室環(huán)境安裝使用；

3）可以成型任意復(fù)雜程度的零件，產(chǎn)品設(shè)計(jì)與生產(chǎn)并行，根據(jù)零件的具體形狀和要求，適時(shí)改變成型工藝參數(shù)，從而控制成型質(zhì)量；

4）成型過程無化學(xué)變化，制件的翹曲變形小；

5）原材料的利用率高，且材料的壽命較長(zhǎng)；

6）可直接制作彩色的模型。

2 FDM技術(shù)成型質(zhì)量分析

與傳統(tǒng)的加工技術(shù)追求的目標(biāo)相同，加工件的精度與成型質(zhì)量一直也是FDM技術(shù)的關(guān)鍵所在。FDM的過程包含模型的前處理，成型加工以及成型件的后處理。在整個(gè)的成型過程中，針對(duì)各個(gè)因素產(chǎn)生的誤差對(duì)成型質(zhì)量的影響，參照傳統(tǒng)的加工技術(shù)對(duì)成型質(zhì)量的評(píng)價(jià)，對(duì)FDM技術(shù)成型質(zhì)量分析將從FDM技術(shù)的成型件的尺寸精度、形狀精度和表面粗糙度三個(gè)方面進(jìn)行。

2.1 尺寸精度

尺寸精度是表征成型質(zhì)量好壞最為直接也是最重要的性能指標(biāo)。尺寸精度越低，則成型質(zhì)量就越差。成型件的精度直接影響其是否能夠使用，超出成型件的誤差，可直接視為廢品或者次品，將不能夠進(jìn)行應(yīng)用。因此，對(duì)尺寸精度的分析是分析FDM成型質(zhì)量的關(guān)鍵一步。影響FDM成型件尺寸精度的最主要因素是成型材料的收縮產(chǎn)生的誤差、后處理誤差以及成型過程中的工藝參數(shù)設(shè)置造成的誤差。

2.1.1 成型材料的收縮產(chǎn)生的誤差

由FDM技術(shù)的成型原理可知，其成型材料需加熱成熔融態(tài)，再由噴頭擠出在工作臺(tái)，然后冷卻固化成型，在這一過程中，其實(shí)成型材料經(jīng)歷了由固態(tài)到熔融態(tài)再回到固態(tài)的物理變化過程，而期間所發(fā)生的主要是熱收縮。

熱收縮（Thermal shrinkage）主要是指熱塑性材料（ABS、石蠟等）因其固有的熱膨脹率而產(chǎn)生的體積變化，它是收縮產(chǎn)生的最主要原因。由熱收縮引起的收縮量為：

ΔL=δ*L*ΔT

其中，δ為材料的線膨脹系數(shù)，/℃；L為零件X/Y向尺寸，mm；ΔT為溫差，℃。

上式的δ為材料在理想環(huán)境中的線膨脹系數(shù)，然而成型材料的實(shí)際收縮還會(huì)受到其成型件的形狀、成型尺寸以及成型過程中的工藝參數(shù)設(shè)置等因素單獨(dú)或交互制約，因此，必須通過實(shí)驗(yàn)得出一個(gè)相對(duì)可靠的δ1，才能準(zhǔn)確的估算出成型件的收縮量，從而在FDM成型前期的三維建模過程對(duì)材料收縮的尺寸進(jìn)行補(bǔ)償，以期得到尺寸精度較高的成型件。

2.1.2 后處理誤差

成型件在打印完成以后還需要進(jìn)行相應(yīng)的后處理，一般有物理法和化學(xué)法。物理的方法一般包含：對(duì)支撐結(jié)構(gòu)的機(jī)械剝離，對(duì)表面進(jìn)行修補(bǔ)、打磨、拋光和表面處理；化學(xué)法是用一些有機(jī)溶劑和成型材料進(jìn)行有機(jī)反應(yīng)，生成表面光潔度較高的另一種物質(zhì)，從而改善FDM直接成型件的表面粗糙度差的問題。現(xiàn)在比較成熟的FDM成型材料主要是ABS和PLA。對(duì)于ABS工程材料，一般是用丙酮溶液或者丙酮蒸汽熏蒸，通過控制反應(yīng)的時(shí)間來改善其表面質(zhì)量。而PLA則采用的是氯仿溶液浸泡的方法，在處理過程中需嚴(yán)格控制浸泡的時(shí)間才能達(dá)到最佳的處理效果。無論是采用物理法還是化學(xué)法，都不可避免的帶來一些新的誤差，這些誤差嚴(yán)重的影響了成型件的尺寸精度，這也是不可忽略的。

2.1.3 工藝參數(shù)設(shè)置造成的誤差

影響FDM成型精度的因素很多，有層厚、噴嘴直徑、打印溫度、平臺(tái)溫度、打印速度、填充速度、填充率等工藝參數(shù)，在這之前許多學(xué)者已經(jīng)對(duì)上述工藝參數(shù)的含義進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，這里不再贅述。其中打印溫度、打印速度及層厚是決定成型精度的最重要的3個(gè)因素，三者之間的合理搭配是獲得高精度成型件的關(guān)鍵。

打印溫度是指噴頭的加熱溫度，是決定噴頭能否順利擠出的關(guān)鍵參數(shù)。基于不同的FDM成型材料的性能，噴頭的溫度必須保持在成型材料的融化溫度稍高的溫度，使成型材料達(dá)到粘接性和流動(dòng)性的最優(yōu)化，并配合擠出速度均勻擠出在加熱平臺(tái)上，否則會(huì)導(dǎo)致堵頭或者出絲不均的現(xiàn)象，從而使尺寸精度大大下降。

打印速度是直接影響打印精度和效率的因素。打印速度越快，則噴頭運(yùn)動(dòng)越快，打印的精度就越低；反之打印精度就越高。這僅是單一的線性關(guān)系，必須和噴頭的擠出速度相匹配，使其在一個(gè)合理的范圍之內(nèi)，避免擠出速度過快而運(yùn)動(dòng)過慢成型材料擠出相對(duì)過多，導(dǎo)致噴頭堵塞，或者運(yùn)動(dòng)速度過快而擠出速度過慢造成成型件翹曲變形甚至開裂，嚴(yán)重的導(dǎo)致成型材料不足無法完成打印過程。

層厚是模型在進(jìn)行切片處理時(shí)每一層的厚度，一般是0.1mm，0.2mm，0.3mm。層厚越小，則尺寸精度就越高，成型件的質(zhì)量就越好，但總的打印層數(shù)會(huì)成倍增加，反過來又導(dǎo)致成型效率下降，因此，一般選擇0.2mm的層厚，是成型效率和成型質(zhì)量綜合效果最優(yōu)化值。

2.2 形狀精度

形狀精度是限制加工表面的宏觀幾何形狀誤差的量度，如圓度、圓柱度、平面度、直線度。在FDM技術(shù)中，引起成型件形狀誤差的主要因素就是成型設(shè)備的誤差。成型設(shè)備主要指的是設(shè)備的機(jī)械模塊，其為成型過程的基礎(chǔ)元件，其硬件設(shè)備的精度直接影響到成型精度。成型過程中主要包含噴頭沿XOY面的掃面運(yùn)動(dòng)及工作平臺(tái)的Z向運(yùn)動(dòng)。XY面的平面度及其與導(dǎo)軌的垂直度會(huì)影響成型件的形狀精度。步進(jìn)電機(jī)與皮帶的配合度及皮帶的松緊度都會(huì)影響成型件的形狀。皮帶過松可能造成噴頭運(yùn)動(dòng)的周期性失步，從而大大降低成型件的形狀精度。

2.3 表面粗糙度

表面粗糙度是指加工表面具有的較小間距和微小峰谷的不平度。其兩波峰或兩波谷之間的距離（波距）很?。ㄔ?mm以下），它屬于微觀幾何形狀誤差。表面粗糙度越小，則表面越光滑。影響FDM成型件的表面粗糙度的主要誤差是模型在切片處理誤差和模型導(dǎo)出為STL文件格式的誤差。

2.3.1 切片處理誤差

FDM技術(shù)原理是利用分層疊加的成型方法，是一個(gè)離散/堆積的過程。它是通過沉積一層一層的切片來形成三維零件，只有保證了每一切片層的信息準(zhǔn)確性，才能得到成型質(zhì)量高的三維零件。而一個(gè)零件的模型數(shù)據(jù)在每一層的輪廓形狀不盡相同，大多數(shù)的模型都為曲面或者過度表面，這就需要通過分層去逼近模型的實(shí)際表面，這就好比是一個(gè)數(shù)學(xué)上的積分的過程，用無限個(gè)小的矩形塊逼近曲面的面積，但最終會(huì)形成“臺(tái)階效應(yīng)”（如圖2），這是3D 打印成型過程的一種原理性誤差。在對(duì)STL文件進(jìn)行切片時(shí)，會(huì)破壞零件表面的連續(xù)性，丟失了層與層之間的數(shù)據(jù)，同時(shí)引入階梯誤差，大大增大零件的表面粗糙度。對(duì)于曲面曲率變化大的模型表面，“臺(tái)階效應(yīng)”存在更加明顯，這樣就會(huì)直接導(dǎo)致是曲面精度質(zhì)量降低，模型表面的精度誤差也增大。

2.3.2 模型導(dǎo)出為STL文件時(shí)的誤差

在完成三維建模之后，需要將所建立的三維模型導(dǎo)出成3D打印通用的STL文件格式。而在文件格式轉(zhuǎn)換的過程中，不同數(shù)據(jù)格式的選擇決定數(shù)據(jù)處理的流程和方法的不同。STL 格式，是由無數(shù)個(gè)小三角形面片的定義組成，每個(gè)小三角形面片的定義包括三角形各個(gè)定點(diǎn)的三維坐標(biāo)及三角形面片的法矢量。采用小三角形來近似逼近三維 CAD模型的外表面，小三角形數(shù)量的多少直接影響著近似逼近的精度。三角網(wǎng)格越小，其精度越高，數(shù)據(jù)丟失率就越低，成型效果就比較好。但只要是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換就可能造成數(shù)據(jù)的丟失，使得模型在未成型之前其表面粗糙度就受到影響，且丟失越多給后續(xù)的修復(fù)工作無形中增添了工作難度。

3 提高FDM技術(shù)成型質(zhì)量的方法

鑒于FDM過程中各階段的誤差對(duì)制件成型質(zhì)量的影響，提高制件成型質(zhì)量是FDM技術(shù)必然需求。在模型處理前期，采用對(duì)CAD實(shí)體模型直接進(jìn)行切片的方法消除因 STL文件格式所導(dǎo)致的截面輪廓線誤差以得到精確完整的實(shí)體截面輪廓線。優(yōu)化切片過程，改進(jìn)切片算法，消除因切片可能導(dǎo)致輪廓冗余、輪廓線不清等問題。在構(gòu)造模型時(shí)盡可能地規(guī)避斜面的設(shè)計(jì)，設(shè)置合適的層厚以減少臺(tái)階效應(yīng)。注意制件在切片時(shí)的擺放位置和方向，優(yōu)化結(jié)構(gòu)，減少或者避免過多的支撐，提高成型質(zhì)量同時(shí)也減小了成型的時(shí)間。

在成型過程中，優(yōu)化工藝參數(shù)。針對(duì)制件的大小、形狀等不同，得出不同的工藝參數(shù)以更好地提高成型件的精度和質(zhì)量。

選擇合理的后處理工藝，防止刮傷甚至是破壞工件，以保證處理后制件的精度。

4 結(jié)束語

FDM技術(shù)是軟件與硬件結(jié)合的綜合性技術(shù)，影響制件成型精度及質(zhì)量的因素很多，其影響又是多方面的，只有將軟件、設(shè)備以及成型材料等相結(jié)合才能整體提高制件成型質(zhì)量。隨著3D打印的發(fā)展，F(xiàn)DM技術(shù)將會(huì)得到越來越廣泛的應(yīng)用。

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[責(zé)任編輯：田吉捷]