3D 打印中FDM 技術(shù)的應(yīng)用及成型件精度分析

閆昌紅

（山西鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系，山西太原 030013）

0 前言

近些年來(lái)，隨著加工技術(shù)的發(fā)展，與減材制造技術(shù)相對(duì)，出現(xiàn)了一種的新的加工技術(shù)--增材制造技術(shù)。3D 打印技術(shù)是增材制造技術(shù)中的代表，該加工方法具有空間模型造型新穎，加工技術(shù)相對(duì)傳統(tǒng)減材加工技術(shù)簡(jiǎn)易，單件產(chǎn)品加工周期短，成本相對(duì)低廉等優(yōu)勢(shì)。相對(duì)于傳統(tǒng)制造業(yè)加工技術(shù)，3D 打印技術(shù)是依據(jù)加法原則，分層制造原理進(jìn)行加工，將三維模型轉(zhuǎn)化成二維輪廓信息，快速加工的方法。首先，應(yīng)用三維設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)成品三維模型，然后應(yīng)用分層切片軟件，對(duì)三維模型進(jìn)行切片處理，生成加工文件，將文件傳輸?shù)?D 打印設(shè)備，即可以加工出產(chǎn)品。

產(chǎn)品質(zhì)量與其加工精度密不可分，3D 打印產(chǎn)品精度與多種因素有關(guān)，目前，3D 打印技術(shù)中有SLA 技術(shù)、SLS 技術(shù)、PDM 技術(shù)、LOM 技術(shù)，本文著重探究分析熔融成型（FDM）法在前期數(shù)據(jù)處理、成型加工過(guò)程、后處理階段其參數(shù)誤差對(duì)產(chǎn)品精度的影響。

1 3D 打印中FDM 加工技術(shù)及加工程序代碼的生成

1.1 FDM 加工技術(shù)及其特點(diǎn)

FDM加工技術(shù)是指熔融成型法，該方法應(yīng)用低熔點(diǎn)絲狀材料為原料，如PLA 可降解材料，利用電阻加熱的方法，將PLA 材料加熱至微高于其熔化溫度。3D 打印設(shè)備在模型程序代碼的控制下，噴嘴噴頭在二維平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)，將熔融的材料涂覆在工作臺(tái)上，待該層材料冷卻后形成一層截面，待一層成型后，噴頭按照程序指令上移一層，進(jìn)行下一層材料的噴涂，通過(guò)逐層累加的方式，堆積形成了模型的成品工件[3]。

該種技術(shù)污染小，PLA 材料可以降解，可用于小中型工藝品、工件品的成型。選用ABS、PLA 固體類絲狀成型材料，可用于塑料產(chǎn)品、蠟?zāi)?、樣件等模型?/p>

1.2 FDM 技術(shù)中加工程序代碼的生成

（1）應(yīng)用三維設(shè)計(jì)軟件UG，建立模型。在UG軟件建模環(huán)境中，應(yīng)用相關(guān)的軟件操作命令，繪制模型圖，然后生成為stl 格式的文件。

（2）應(yīng)用切片軟件，生成相應(yīng)的加工程序文件。

在市場(chǎng)上，有兩種常用切片軟件，Cura 和Flash 軟件。應(yīng)用Cura 軟件，可以進(jìn)行切片處理，生成Gcode 格式加工文件。應(yīng)用Flash 軟件，進(jìn)行切片處理，生成gx 格式加工文件。

圖1 加工過(guò)程

圖2 切片過(guò)程

2 成型件精度分析

FDM打印過(guò)程中前期數(shù)據(jù)處理、成型加工過(guò)程、后處理階段其參數(shù)等因素會(huì)直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量和精度。

2.1 前期數(shù)據(jù)處理中的誤差

2.1.1 STL 格式化引起的誤差

在應(yīng)用UG 軟件建模完成之后，需要生成STL格式文件，其實(shí)質(zhì)是用大量微小的空間三角形面來(lái)無(wú)限逼近還原實(shí)體模型，此三角形的數(shù)量將會(huì)影響實(shí)體的表面精度，數(shù)量越多，其精度越高。三角形數(shù)量過(guò)多，文件內(nèi)存大，會(huì)增加數(shù)據(jù)處理時(shí)間，應(yīng)在精度要求內(nèi)，選擇適量的三角形。在用UG建模軟件輸出STL 格式文件時(shí)，需要確定精度，即模擬原模型允許誤差。在此過(guò)程中，模型中其平面，不產(chǎn)生誤差，模型中其曲面，會(huì)產(chǎn)生模擬誤差，影響到加工精度。

為了提升加工精度，消除在切片中由STL 格式造成的誤差，可采用CAD 直接切片法。

2.1.2 模型分層厚度對(duì)成品精度的影響

在對(duì)模型進(jìn)行分層處理的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一定的誤差，這種誤差屬于原理性誤差。在用切片軟件如Cura 對(duì)STL 文件進(jìn)行切片時(shí)，設(shè)定好成型方向，分層的厚度，選用的噴頭等參數(shù)時(shí)，就可以對(duì)模型進(jìn)行分層處理了。分層后得到一組垂直于成型方向等層厚的截面，此截面與模型的交線即形成了該截面的輪廓線，作為成型加工過(guò)程中的數(shù)據(jù)。因?yàn)閷优c層之間有微量的距離，破壞了模型表面的連續(xù)性，會(huì)丟失模型的部分信息，影響到其尺寸精度和表面精度[4]。相同厚度條件下，分層層數(shù)越多，其成品精度相對(duì)越高，同時(shí)會(huì)導(dǎo)致打印加工時(shí)間延長(zhǎng)。

2.2 成型過(guò)程中加工誤差

3D 打印加工設(shè)備其結(jié)構(gòu)、構(gòu)件運(yùn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)存在一定的原始誤差，為提升加工品的精度，需提高設(shè)備自身的精度。

2.2.1 工作臺(tái)引起的誤差

工作臺(tái)在絲杠的帶動(dòng)下，上下移動(dòng)完成成型加工。工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)誤差和直線度誤差會(huì)影響成型件的分層精度，導(dǎo)致成型件在Z 方向上的尺寸誤差，位置、形狀、表面精度誤差。工作臺(tái)是否水平會(huì)影響到其成型品底座的平面度，同時(shí)工作臺(tái)是否水平還會(huì)影響到成型品底座與工作臺(tái)的粘結(jié)是否牢固。如果成型品底座與平臺(tái)粘結(jié)不牢固，工作平臺(tái)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，會(huì)影響到成型品微量移動(dòng)，影響到成型品的精度，甚至造成工件報(bào)廢。工作平臺(tái)調(diào)平過(guò)程是一項(xiàng)技術(shù)、經(jīng)驗(yàn)活。在調(diào)平過(guò)程中，經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)，采用二次或多次調(diào)平方式[1]，微量調(diào)整調(diào)平螺母，其水平性較好。

2.2.2 同步帶變形引起噴嘴定位誤差

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)同步齒形帶運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)3D 打印機(jī)噴頭水平方向移動(dòng)。在打印機(jī)使用時(shí)間較長(zhǎng)后，同步齒形帶可能會(huì)微量的變形，影響噴嘴的定位精度。可采用位置補(bǔ)償?shù)姆绞?，提升其定位精度?/p>

2.2.3 電機(jī)部分結(jié)構(gòu)引起噴嘴定位誤差

3D 打印機(jī)噴頭運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)采用的是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)開環(huán)控制系統(tǒng)，噴頭移動(dòng)過(guò)程中有一定的慣性，其時(shí)間運(yùn)動(dòng)定位尺寸略大于其設(shè)計(jì)尺寸，造成微量尺寸誤差，同時(shí)，噴頭在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中是一個(gè)加減速過(guò)程，在兩邊的運(yùn)動(dòng)速度會(huì)小于中間移動(dòng)速度，會(huì)造成加工品材料固化不均勻，邊緣的固化程度高于中間部分。

2.2.4 擠料速度與掃描速度誤差

在3D 打印增材加工制造中，噴頭的溫度參數(shù)值選取很關(guān)鍵，會(huì)影響到PLA 材料吐絲的粗細(xì)、材料冷卻速度和擠料速度，進(jìn)一步影響到加工品質(zhì)量[2]。在噴嘴類型一致相同移動(dòng)速度的條件下，其擠料速度太高，在工件的表面和側(cè)面會(huì)出現(xiàn)材料溢出，影響表面精度，導(dǎo)致支撐結(jié)構(gòu)與工件不易分離；若擠料速度過(guò)低，就會(huì)造成工件材料缺失的現(xiàn)象。因此，選擇合適的擠料速度，有助于提高工件的精度，其輪廓線更清晰，其支撐結(jié)構(gòu)與工件易于分離。

2.2.5 加工材料對(duì)加工質(zhì)量的影響

PLA 材料可降解，在剛拆封后使用，材料柔韌性優(yōu)良，在環(huán)境中自然放置一段時(shí)間后，材料會(huì)自然風(fēng)化。風(fēng)化的材料，會(huì)影響到加工品的質(zhì)量。在加工過(guò)程中，注意材料選用及保存。

2.3 后處理階段產(chǎn)生的誤差

在工件固化成型后，需要去除其支撐部分，進(jìn)行拋光、打磨和表面處理等工序，此階段稱為后處理。后處理階段對(duì)工件精度的影響有三種：

（1）在去除支撐時(shí)，可能會(huì)刮傷工件表面，影響其表面粗糙度。在切片支撐設(shè)計(jì)時(shí)，選擇有效簡(jiǎn)單的支撐結(jié)構(gòu)，起到支撐作用又方便去除，同時(shí)可節(jié)省后處理時(shí)間。

（2）工件固化成型后，零件的內(nèi)部會(huì)存在一定的內(nèi)應(yīng)力，在溫度、濕度外部環(huán)境的影響下，工件會(huì)產(chǎn)生一定的變形。消除工件中的內(nèi)應(yīng)力，可提高零件的成型精度。

（3）成型后的零件表面存在階梯紋、尺寸誤差，需要對(duì)加工件打磨、修補(bǔ)、拋光等處理。在此過(guò)程中，可能會(huì)對(duì)工件的尺寸和表面質(zhì)量造成破壞，產(chǎn)生誤差。