FDM 3D打印制件綜合性能的影響因素分析

鄭小軍　俞高紅

【摘 要】本文從FDM熔融沉積成型的工藝流程出發(fā)，將影響制件綜合性能的因素分為前期原理性誤差、中期成型過程中的工藝性誤差和后期后處理誤差，對(duì)各階段的主要誤差形成機(jī)理作了詳細(xì)分析并提出解決方法，為制件的表面質(zhì)量、尺寸精度和機(jī)械性能的工藝試驗(yàn)和優(yōu)化研究提供了指導(dǎo)性依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】FDM；3D打?。挥绊懸蛩?/p>

中圖分類號(hào)： TP334.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）31-0001-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.31.001

【Abstract】Starting from the technological process of FDM melt deposition forming，this paper divides the factors affecting the comprehensive performance of the parts into pre-principled error，process error and post-processing error in the mid-term forming process.The formation mechanism of the main errors in each stage is analyzed in detail and the solutions are put forward，so as to provide the surface quality and ruler of the parts.The process test and Optimization Study of inch accuracy and mechanical properties provide a guiding basis.

【Key words】FDM；3D printing；Influencing Factors

1 概述

FDM，即為熔融沉積成型，是快速成型技術(shù)的典型代表，它是利用高溫將熔絲材料融化成液態(tài)，通過噴嘴擠出后固化，最后在立體空間上逐層堆積排列形成三維實(shí)物。

隨著FDM 3D打印市場的日益普及，成型件的綜合性能（主要是指制件的表面質(zhì)量、尺寸精度和機(jī)械性能）一直倍受人們關(guān)注。目前RP技術(shù)成型精度與機(jī)加工零件相比相對(duì)偏低，這是制約FDM成型技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展和推廣應(yīng)用的重要原因之一。如何提高成型件的質(zhì)量、精度也是當(dāng)前廣大研究人員對(duì)FDM工藝研究的重要課題。FDM工藝實(shí)現(xiàn)了從計(jì)算機(jī)三維CAD模型到成型件實(shí)體模型的一體化，要實(shí)現(xiàn)這一過程，中間要包含諸多環(huán)節(jié)：計(jì)算機(jī)三維CAD建模、STL文件格式轉(zhuǎn)換、模型分層切片處理、成型材料性能、打印設(shè)備精度、工藝參數(shù)的選擇及后處理，每個(gè)環(huán)節(jié)都有可能對(duì)制件的成型精度產(chǎn)生或多或少的影響。影響FDM制件綜合性能的因素主要包括前期數(shù)據(jù)處理誤差、成型加工過程中產(chǎn)生的誤差和后處理誤差。

2 FDM成型的原理性誤差

FDM成型的原理性誤差主要是指前期數(shù)據(jù)處理誤差。一般來講，要得到FDM工藝有兩種方法，一是利用計(jì)算機(jī)三維輔助設(shè)計(jì)軟件如UG、Solidworks等構(gòu)建零件三維CAD模型再另存為STL格式的文件；二是通過三坐標(biāo)測量機(jī)或3D掃描儀借助反求技術(shù)采集實(shí)物點(diǎn)云圖，經(jīng)數(shù)據(jù)擬合和軟件處理最終得到STL格式的模型文件。數(shù)據(jù)處理軟件要完成的任務(wù)是對(duì)STL文件進(jìn)行分層切片、輪廓填充及生成加工G代碼。在這個(gè)數(shù)據(jù)處理的早期階段，由于數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換或算法本身存在誤差，這將影響零件的最終成形精度。

2.1 STL格式轉(zhuǎn)換引起的誤差

STL文件格式是由美國3D Systems公司于1988年制定的一個(gè)接口協(xié)議，是目前RP行業(yè)中廣泛使用的三維模型文件格式，已成為一種既定的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。STL模型用許多三角形面片來逼近實(shí)體，用簡單的點(diǎn)線面形式去表達(dá)復(fù)雜的實(shí)體模型。這種簡化就產(chǎn)生了不可忽略的誤差。

STL文件的定義如圖1所示，用三個(gè)頂點(diǎn)連接來表示一個(gè)三角面片，頂點(diǎn)坐標(biāo)為（x，y，z），每個(gè)三角面片還必須有一個(gè)表示方向的法向量，用（Lx，Ly，Lz）表示。對(duì)于圖示中多個(gè)三角面片共用一個(gè)頂點(diǎn)的情況，該點(diǎn)則會(huì)由于組成一個(gè)三角面片就記錄一次，造成多次重復(fù)記錄，進(jìn)而引起數(shù)據(jù)冗余。STL文件就是通過眾多這樣的三角面片無序組合來近似3D打印模型的。

通常用三角形面片的數(shù)目來衡量STL模型逼近三維CAD模型的程度，數(shù)目越多，兩者就越接近，誤差也就越小。就像用正多邊形來逼近整圓一樣，多邊形的邊數(shù)越多，該多邊形就越接近圓形。為量化逼近程度，這里引入弦高的概念，它是指在逼近曲面的過程中，三角形弦所在輪廓邊與曲面之間的徑向距離。如果要提高制件的成型精度，就必須采用更多的三角形面片來逼近，此時(shí)弦高變小。但這不僅會(huì)增加計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)容量，還會(huì)增加切片的處理時(shí)間，所以應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況綜合考慮。

2.2 分層切片過程產(chǎn)生的誤差

快速成型技術(shù)基于的是離散-堆積的思想，當(dāng)三維CAD模型轉(zhuǎn)換為STL文件后，需要通過分層切片對(duì)其進(jìn)行離散化處理。所謂分層切片，就是沿著成型件的Z軸正方向，用一系列平行于XOY平面的截面切取STL文件的數(shù)據(jù)實(shí)體模型，從而得到模型的內(nèi)部構(gòu)造信息和輪廍信息。由于分層切片是非連續(xù)的，層與層之間存在參數(shù)可改變設(shè)置的間距，層與層之間的信息就會(huì)不可避免地丟失，這就破壞了STL模型表面輪廍的連續(xù)性，導(dǎo)致制件產(chǎn)生尺寸和形狀誤差。一般我們用分層后的分辨率來表征層與層之間的間距大?。ㄒ布捶謱雍穸龋?。間距越大，分辯率越低，數(shù)據(jù)信息丟失得也就越多。

分層切片處理給制件帶來的誤差主要有二：階梯誤差和Z向成型尺寸誤差。Z向成型尺寸誤差主要由分層厚度和制件的Z向成型尺寸決定。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，并不是切片厚度越小得到的制件尺寸精度就越高；只有當(dāng)成型高度與分層厚度滿足倍數(shù)關(guān)系時(shí)，才能得到較高的制件尺寸精度。這一點(diǎn)在3D打印時(shí)應(yīng)充分重視。

3 成型過程中產(chǎn)生的誤差

3.1 熔絲寬度變化引起的誤差

在數(shù)控銑削加工時(shí)，由于銑刀是有一定直徑大小的，所以若刀具沿著零件輪廓曲線走刀的話，最終得到的實(shí)際加工輪廓將與理想輪廓偏離一個(gè)刀具半徑的距離。為解決這一問題，我們在NC程序編制時(shí)，要引入刀具半徑補(bǔ)償功能。而在此處FDM 3D打印成型過程中也有類似的問題，打印時(shí)噴頭噴出的熔融態(tài)的熔絲是有一定寬度的，而目前成型設(shè)備又不具有絲寬自動(dòng)補(bǔ)償功能，所以當(dāng)噴頭沿著STL文件分層處理后得到的理想輪廓軌跡進(jìn)行掃描時(shí)，最終得到的實(shí)際輪廓會(huì)偏離理想輪廓，影響制件的尺寸精度。另外，在成型過程中由于受到噴嘴直徑、分層厚度、填充速度及擠出速度等參數(shù)的影響，熔絲的寬度和截面形狀都會(huì)發(fā)生改變，如圖2所示。

當(dāng)擠出速度較低時(shí)，可視熔絲的截面形狀為圖2中的第III部分；當(dāng)擠出速度較高時(shí)，則應(yīng)視熔絲的截面形狀為圖7中的第I、II、III三部分之和。

3.2 成型材料收縮引起的誤差

FDM成型工藝中，常用的成型材料是PLA、ABS等熱塑性材料，這種材料在經(jīng)過固態(tài)-熔融態(tài)-固態(tài)的過程中經(jīng)歷二次相變，會(huì)出現(xiàn)體積收縮現(xiàn)象，從而影響成型件的尺寸精度，并產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，嚴(yán)重時(shí)會(huì)產(chǎn)生層間剝離，影響成型件的機(jī)械性能。收縮現(xiàn)象表現(xiàn)為兩種形式：

（1）熱收縮

這是由材料固有的熱脹冷縮屬性引起的體積變化現(xiàn)象，也是引起制件發(fā)生翹曲變形的主要原因。熱收縮現(xiàn)象引起制件的內(nèi)輪廓向外偏移，外輪廓向內(nèi)偏移、理論輪廓與實(shí)際輪廓不一致，產(chǎn)生尺寸誤差，如圖3所示。

（2）分子取向收縮

當(dāng)熔融態(tài)絲材從噴嘴噴出并填充時(shí)，處于高溫活躍狀態(tài)的大分子鏈沿填充方向被拉長，溫度下降后又冷卻收縮。由于象PLA等高分子材料具有不同取向的特性，使得材料在填充方向上的收縮率遠(yuǎn)大于Z向堆積方向的收縮率。

為降低材料收縮對(duì)制件精度造成的影響，一般可采取以下措施予以改進(jìn)：

（1）減小材料收縮率。成型過程中選用收縮率較小的成型材料，或?qū)ΜF(xiàn)有材料進(jìn)行改性處理，降低其收縮率。

（2）模型尺寸補(bǔ)償。在制件三維CAD模型構(gòu)建時(shí)，就事先考慮到材料收縮對(duì)制件尺寸的影響，對(duì)不同方向進(jìn)行尺寸補(bǔ)償。

4 后處理產(chǎn)生的誤差

經(jīng)FDM工藝成型后的制件，通常包含基座、實(shí)體和支撐三部分。要得到一個(gè)完整的3D打印成型件，必須將基座部分和支撐部分去除，再經(jīng)過修補(bǔ)、拋光、固化、打磨及表面強(qiáng)化處理等后處理工藝。因?yàn)閺纳衔姆治鑫覀兛梢灾溃瑢TL文件進(jìn)行分層切片時(shí)，會(huì)產(chǎn)生階梯效應(yīng)，造成制件表面出現(xiàn)小的臺(tái)階，表面粗糙、尺寸精度不高、表面強(qiáng)度、耐磨性能達(dá)不到要求。后處理過程中往往會(huì)產(chǎn)生下面3種誤差：

（1）去除支撐產(chǎn)生的誤差。目前去除支撐常用的方式是手工剝離，有時(shí)也借助工具。剝離工具有時(shí)會(huì)劃傷成型件，影響成型件的表面質(zhì)量，支撐去除后通常會(huì)在成型件表面留下毛刺或凹坑狀痕跡；也有可能支撐材料與成型件緊密結(jié)合難以去除?，F(xiàn)在雖然可以采用水溶性材料作為支撐材料來提高成型件的表面質(zhì)量，但由于水溶性材料價(jià)格較高，會(huì)增加成型成本。通常的做法是在設(shè)計(jì)之初就考慮好合理的支撐方式，能少不多，方便去除。

（2）外部環(huán)境變化引起的誤差。制件成型后，由于環(huán)境溫度、濕度的變化，會(huì)導(dǎo)致制件繼續(xù)變形并產(chǎn)生誤差。另外，由于成型工藝設(shè)定或制件本身結(jié)構(gòu)工藝性等方面的原因，制件會(huì)存在殘余應(yīng)力，隨著時(shí)間的推移，后續(xù)制件出現(xiàn)小范圍的翹曲變形不是沒有可能，所以應(yīng)設(shè)法消除其殘余應(yīng)力。

（3）修補(bǔ)過程中產(chǎn)生的誤差。為了減少階梯效應(yīng)、改善和提高制件的表面質(zhì)量和美觀程度，需要對(duì)制件進(jìn)行修補(bǔ)、打磨、拋光或表面涂覆處理，但如果處理不當(dāng)就會(huì)影響制件的尺寸、形狀精度和綜合機(jī)械性能，產(chǎn)生后處理誤差。

5 結(jié)論

本文從FDM熔融沉積成型工藝流程出發(fā)，將影響制件綜合性能的因素分為前期原理性誤差、中期成型過程中的工藝性誤差和后期后處理誤差，對(duì)各個(gè)階段的誤差形成機(jī)理作了詳細(xì)分析并提出解決方法，為制件的表面質(zhì)量、尺寸精度和機(jī)械性能的工藝試驗(yàn)和優(yōu)化研究提供了指導(dǎo)性依據(jù)。

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