3D 打印件幾何精度誤差的成因分析

章 彬

（安徽國防科技職業(yè)學(xué)院，安徽 六安 237011）

0 緒論

3D 打印又稱增材制造，是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)[1]，目前3D 打印數(shù)字模型文件最常見的是STL 格式數(shù)據(jù)。

3D 打印零件的質(zhì)量目前還沒有形成一致認(rèn)可的行業(yè)或國際標(biāo)準(zhǔn)，所以其加工精度仍然套用金屬加工零件精度的概念，主要包括尺寸精度、形狀位置精度以及表面質(zhì)量[2]。按照3D 打印零件的形成過程，零件產(chǎn)生誤差的主要因素如圖1 所示。

圖1 影響3D 打印件精度的主要因素

1 3D 打印的數(shù)據(jù)處理帶來的誤差

數(shù)據(jù)處理是3D 打印的第一步，是獲取3D 打印機(jī)能識別的模型數(shù)據(jù)，其精度直接影響打印機(jī)的運(yùn)動軌跡精度，也就影響了打印件的形狀尺寸精度。獲取模型數(shù)據(jù)過程，誤差主要來源于獲得STL 模型帶來的誤差和分層處理產(chǎn)生的誤差。

3D 打印的STL 模型來源于三維CAD 模型和三維掃描數(shù)據(jù)，從三維CAD 模型輸出的STL 數(shù)據(jù)通常是通過實體或曲面數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換得來的，容易出現(xiàn)錯誤；從反求獲得的STL 數(shù)據(jù)也問題較多[2]。

1.1 三維CAD 模型輸出STL 模型產(chǎn)生的誤差

對CAD 三維數(shù)模表面三角網(wǎng)格化，用三角形面片去逼近原型曲面獲得的STL 模型數(shù)據(jù)，是由許多三角面片組成，是三維數(shù)模表面模型。STL 模型存儲的是三角形面片的頂點坐標(biāo)和法向矢量信息。STL 模型的精度由CAD 模型表面到三角形的弦高控制，如圖2 所示，弦高是指近似三角形與曲面輪廓之間的徑向距離。

圖2 用三角形網(wǎng)格近自由曲面

不同的弦高，結(jié)果相差甚遠(yuǎn)，誤差相差很大。弦高取值越小，STL 模型與CAD 模型的近似程度會越高，但是三角形面片的數(shù)量也會顯著增多，STL 模型亦越大，處理數(shù)據(jù)的速度就會降低，加工的時間也會相應(yīng)增加。另一方面增加三角面片數(shù)可以減少輸出誤差，但是不能完全消除誤差。換言之，STL 模型是CAD 模型表面三角化的一種近似表示，模型轉(zhuǎn)化帶來的精度損失是不可避免的。

1.2 反求獲得STL 模型帶來的誤差

另一種STL 模型的來源是通過三維掃描儀獲取點云，再利用反求軟件處理點云獲得。與傳統(tǒng)方式相比，點云數(shù)據(jù)的采集、掃描后的點云除噪、三角面片的生成及三維建模等處理方式會帶來新的誤差源。反求三維掃描數(shù)據(jù)獲得STL 模型的誤差主要來源以下幾方面：

（1）三維掃描系統(tǒng)誤差[3]。三維掃描儀設(shè)備自身的精度以及測量原理帶來的誤差，還有外界環(huán)境影響帶來的誤差。三維掃描儀發(fā)射的激光在空間傳輸時易受溫度、濕度、灰塵等外界因素的干擾，從而影響測量精度。

（2）掃描目標(biāo)反射的影響。由于每種物體的表面都有不同的反射屬性，因此在掃描過程中，需要根據(jù)掃描目標(biāo)的表面類型來配置激光功率和攝像頭快門時間，以獲得激光線的最佳探測。激光功率的默認(rèn)值通常適用于淺色的非反射表面，對于吸收激光的目標(biāo)物，需要噴顯像劑方可掃描。

（3）三維掃描操作帶來的誤差。在掃描時，掃描儀與表面入射角越大，定位模型的精確度越高；當(dāng)激光與物體反射面交角較小時，容易增大激光點不確定性，導(dǎo)致掃描儀與目標(biāo)物的相對誤差較大[4]。顯然整個掃描過程入射角是不斷變化，定位精度不統(tǒng)一。此外，也可能出現(xiàn)點云采集缺失，如深孔、反射面交角較小、尖角、小曲率表面等，點云缺失將直接影響后期點云處理的精度。

（4）點云數(shù)據(jù)后期處理的誤差[5]。通過三維掃描方式所獲得的大量點云數(shù)據(jù)中，有可能包含不需要的點云，即無效點云。在點云處理階段的第一步就是識別有用點云和無效點云，并進(jìn)行除噪去除無效點云。點云處理最重要的一步是注冊對齊，對多組點云數(shù)據(jù)對齊、拼接，盡管我們在掃描時確定了點云對齊公共點，但也不可能完全對齊，會出現(xiàn)點云分層現(xiàn)象，如圖3 所示。點云數(shù)據(jù)的誤差會直接封裝到STL面片模型中，最終體現(xiàn)在3D 打印件上。

圖3 點云拼接的分層缺陷

（5）面片數(shù)據(jù)處理的誤差。根據(jù)處理后的點云數(shù)據(jù)封裝成的面片文件，可能在曲面的相交處產(chǎn)生縫合面間隙、孔洞與孤島、法線不統(tǒng)一及相鄰面片錯位等缺陷，如圖4 所示。

圖4 面片封裝的常見缺陷

1.3 STL 模型分層過程帶來的誤差

STL 模型分層處理是3D 打印非常關(guān)鍵的一個環(huán)節(jié)，只有經(jīng)過分層切片處理之后才能將數(shù)據(jù)輸入到打印機(jī)中。分層是STL 模型與一系列平行平面求交的過程，如圖5 所示。

圖5 分層切片處理

STL 模型的切片分層處理是在模型的形狀和尺寸精度已經(jīng)發(fā)生偏差的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。如圖6 所示，STL 模型的切片分層處理的誤差主要是分層階梯誤差，分層階梯的誤差大小取決于分層厚度，厚度越小，層數(shù)越多，分層處理的精度越高。盡管盡可能減小層厚，也不能消除階梯誤差，最終的打印件必將在形狀和尺寸上產(chǎn)生誤差。一般的規(guī)律是，STL 模型表面越傾斜，所得截面輪廓的誤差就越大。

圖6 分層階梯誤差

2 設(shè)備工藝條件所導(dǎo)致的誤差

3D 打印過程對精度的影響與具體的成形設(shè)備和工藝相關(guān)，下面以FDM 成型工藝為例，分析3D 打印設(shè)備工藝條件對幾何精度的影響。主要影響因素有：機(jī)械本體誤差、成形方向、成形材料的收縮變形及熱應(yīng)力分布不均[6]。

2.1 打印設(shè)備本體誤差的影響

應(yīng)用于FDM 成型的桌面型3D 打印機(jī)的主要部件是打印頭、基座、卷絲、打印平臺，打印頭作X-Y向步進(jìn)移動，打印平臺作Z向步進(jìn)移動。打印頭X-Y移動由步進(jìn)電機(jī)、導(dǎo)軌、同步齒形帶組成，打印平臺Z向升降運(yùn)動由步進(jìn)電機(jī)、絲杠、光杠、臺架組成。3D打印機(jī)的工控系統(tǒng)如圖7 所示，沒有位置檢測系統(tǒng)，不能實現(xiàn)閉環(huán)控制，所以桌面型3D 打印機(jī)自身的定位精度將影響打印機(jī)的精度。

圖7 電氣控制系統(tǒng)原理圖

2.2 成形方向?qū)鹊挠绊?/h3>

由于X-Y方向的尺寸精度比Z方向更容易控制，一般情況下，會盡可能地將精度要求高的輪廓放置在X-Y平面內(nèi)。如圖8 所示，同一零件以相同層厚，按a 圖和b 圖兩個不同的方向分層。兩者相比較，a 圖斜坡表面較少，所需支撐很少，后處理過程中的去支撐、打磨工作量就會減少，零件表面質(zhì)量相對就比較好。

圖8 成形方向?qū)鹊挠绊?/p>

2.3 材料性能的誤差

目前，應(yīng)用于FDM 工藝的材料基本上是ABS 或PLA 材料。材料在成型過程中會發(fā)生兩次相變：一次是材料受熱熔化成熔融狀態(tài)；一次是經(jīng)噴嘴擠出冷卻成固態(tài)，材料的凝固收縮和分子取向收縮將直接影響成型件精度，造成零件尺寸和設(shè)計尺寸不同。

此外，凝固過程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力亦會導(dǎo)致成型件的翹曲變形及脫層，如彎曲、層間剩離和翹曲缺陷。

2.4 工藝參數(shù)對成形精度的影響

如同傳統(tǒng)加工，工藝參數(shù)是影響3D 打印件質(zhì)量的主要因素。噴嘴溫度決定了材料的黏結(jié)性能、堆積性能、絲材流量以及擠出絲寬度。為了保證連續(xù)平穩(wěn)地出絲，還需在考慮材料的收縮率的基礎(chǔ)上將擠出速度和填充速度進(jìn)行合理匹配。打印頭在X-Y方向的移動速度與材料擠出速度也需要合理匹配，打印頭移動過快出現(xiàn)斷絲，移動過慢表面有疙瘩，影響表面質(zhì)量[7]。

3 后處理對零件幾何精度的影響

3D 打印完成的零件一般有三部分組成：底座結(jié)構(gòu)、支撐結(jié)構(gòu)和實體結(jié)構(gòu)，如圖9 所示。3D 打印加工后處理主要包括底座、支撐結(jié)構(gòu)的剝離和對實體結(jié)構(gòu)原型進(jìn)行修補(bǔ)、打磨、裝配、拋光和上色等工序[8]。誤差主要有：（1）支撐結(jié)構(gòu)誤差；（2）在去除支撐后為了能夠獲得更好的外觀質(zhì)量，有時需要對外表面進(jìn)行拋光、修補(bǔ)、打磨等工序產(chǎn)生的誤差。

圖9 3D 打印零件的底座、支撐和實體結(jié)構(gòu)

4 結(jié)束語

本文以3D 打印零件與原型精度的誤差為切入點，從正向設(shè)計和反求建模兩個方向分析3D 打印常用STL 模型數(shù)據(jù)的誤差產(chǎn)生原因，并探討成型加工過程工藝參數(shù)、材料環(huán)境和成形方向?qū)Τ尚途鹊挠绊懀址治隽?D 打印后處理產(chǎn)生誤差的因素，對合理控制3D 打印零件精度提供解決方案和思路。