控制FDM成型3d打印技術(shù)制件誤差提供精度的方法研究

快速成型技術(shù)有二十多種不同的成型方法和工藝。熔融堆積成型(FusedDeposition Modeling，F(xiàn)DM)因其成本低、強(qiáng)度較好、無(wú)毒氣和無(wú)化學(xué)污染而被廣泛采用。FDM采用計(jì)算機(jī)控制噴頭做水平運(yùn)動(dòng)，將加熱的熱塑性材料從噴頭里擠出來(lái)，在溫度低于材料熔點(diǎn)的成型室工作臺(tái)上，迅速形成一層薄片輪廓截面，然后工作臺(tái)下降一定高度(即層厚)，噴頭繼續(xù)擠出熱塑性材料，這樣逐層堆積，最終堆積成三維產(chǎn)品零件�；�于FDM原型可間接制造硅膠模，由于成本低，周期短，在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中應(yīng)用很廣泛；把FDM技術(shù)和電鑄、電弧噴涂等傳統(tǒng)的技術(shù)結(jié)合起來(lái)，利用FDM工藝加工出的原型直接作為母模，通過(guò)傳統(tǒng)的中間轉(zhuǎn)換技術(shù)快速制�！�—生成注塑�；駿DM電極等來(lái)進(jìn)行產(chǎn)品的批量生產(chǎn)。


FDM原型的尺寸精度、幾何精度和表面粗糙度對(duì)于最終產(chǎn)品質(zhì)量起著決定性的作用。表面粗糙度可以通過(guò)后處理打磨來(lái)解決，所以控制成型件的尺寸精度、幾何精度至關(guān)重要。為了使快速成型從技術(shù)上更具有競(jìng)爭(zhēng)力，必須提高FDM成型件的質(zhì)量。

FDM成型件精度的影響因素及分析
從FDM成型工藝過(guò)程來(lái)看，成型件的誤差主要有以下幾方面：1)CAD模型離散化過(guò)程中的兩重精度損失。2)成型堆積過(guò)程中的制造誤差。3)成型設(shè)備系統(tǒng)的誤差。4)Z軸的運(yùn)動(dòng)定位精度和重復(fù)定位精度等。

CAD模型離散化過(guò)程中的兩重精度損失
CAD模型離散化過(guò)程中的兩重精度損失一是三角網(wǎng)格化。目前快速成型軟件接受的數(shù)據(jù)文件一般為STL格式，必須對(duì)三維模型近似處理，用一系列的小三角形平面來(lái)逼近原CAD模型，這一網(wǎng)格化過(guò)程給模型幾何形狀精度帶來(lái)一重?fù)p失。二是分層離散過(guò)程。目前采用等分層厚度，層面信息是若干線段組成的封閉多邊形，當(dāng)分層跨過(guò)兩個(gè)三角網(wǎng)格時(shí)，帶來(lái)輪廓特征的丟失引起另一重精度損失。

成型堆積過(guò)程中的制造誤差
1)成型材料的收縮引起制件尺寸誤差。由于噴頭擠出的是熱熔融狀的ABS樹(shù)脂，材料固有的熱膨脹引起的體積變化在冷卻固化過(guò)程中產(chǎn)生收縮，收縮引起制件的外輪廓向內(nèi)偏移、內(nèi)輪廓向外偏移，造成較大的尺寸誤差。
2)收縮引起的翹曲變形。由于體積收縮產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力引起原型整體變形和翹曲變形，翹曲變形對(duì)制件成型精度影響很大，可能造成嚴(yán)重的失真。
3)噴絲寬度引起的噴涂輪廓線誤差。由于噴絲有一定的寬度，而噴頭的運(yùn)動(dòng)軌跡是輪廓的中心，所以外輪廓會(huì)偏大，內(nèi)輪廓會(huì)偏小。


成型設(shè)備系統(tǒng)的誤差
成型設(shè)備系統(tǒng)的誤差都會(huì)對(duì)成型精度產(chǎn)生影響，主要有以下幾方面：1)噴頭的運(yùn)動(dòng)定位精度和重復(fù)定位精度誤差：2)X、y軸導(dǎo)軌的垂直度誤差；3)z軸與工作臺(tái)面的垂直度誤差；4)Z軸的運(yùn)動(dòng)定位精度誤差和重復(fù)定位精度誤差等。


在CAD模型離散化過(guò)程中兩種文件表示格式引起精度損失，提高精度和減少損失只能依靠尋求更優(yōu)的CAD接口數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)實(shí)現(xiàn)。如現(xiàn)在有些學(xué)者已經(jīng)著手研究用STEP標(biāo)準(zhǔn)替代STL標(biāo)準(zhǔn)來(lái)進(jìn)行模型的表示，也可以通過(guò)對(duì)STL文件修復(fù)提高面片的質(zhì)。至于成型設(shè)備系統(tǒng)的誤差可以在設(shè)備的控制系統(tǒng)中采用自補(bǔ)償?shù)姆椒▉?lái)減小設(shè)備的制造誤差。在成型堆積過(guò)程中的制造誤差是影響精度的主要原因。FDM成型工藝有其特殊性，為了減小尺寸誤差和翹曲變形對(duì)原型質(zhì)量的影響，需要對(duì)FDM成型精度有影響的因素進(jìn)行分析。FDM成型是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，一般需要根據(jù)試驗(yàn)確定加工參數(shù)，用分析的結(jié)果來(lái)指導(dǎo)成型，以達(dá)到提高原型成型質(zhì)量的目的。

型堆積過(guò)程誤差產(chǎn)生的原因及消除對(duì)策
CAD數(shù)模的預(yù)先尺寸補(bǔ)償
CAD數(shù)模的預(yù)先尺寸補(bǔ)償是針對(duì)尺寸收縮采取的減少FDM成型堆積過(guò)程誤差的一種對(duì)策，材料在
FDM成型過(guò)程中經(jīng)過(guò)“固體一熔體一固體”兩次相變。

對(duì)于FDM的ABS樹(shù)脂來(lái)說(shuō)，收縮的產(chǎn)生主要有兩個(gè)因素：熱收縮和分子取向的收縮。
1)熱收縮即材料因其固有的熱膨脹率而發(fā)生的體積變化，是收縮產(chǎn)生的最主要來(lái)源。由熱收縮引起的收縮量△L為：
AL=SLAt……………………………………(1)
式中：6為材料的線膨脹系數(shù)，I／。C；L為零件尺寸，mm；At為溫度差，℃。
2)分子取向的收縮即FDM成型過(guò)程中，熔融態(tài)的ABS樹(shù)脂分子在填充方向上被拉長(zhǎng)，在隨后的冷卻過(guò)程中，被拉長(zhǎng)的分子恢復(fù)到原來(lái)的狀態(tài)而產(chǎn)生收縮。取向作用會(huì)使堆積絲在水平方向(即填充方向)的收縮率大于高度方向(即堆積方向)的收縮率。

從理論上講，如果補(bǔ)償因子準(zhǔn)確，對(duì)收縮進(jìn)行準(zhǔn)確補(bǔ)償完全可行。然而試驗(yàn)表明，要想通過(guò)“收縮補(bǔ)償因子”精確地控制尺寸并不是一件簡(jiǎn)單的事情，而只能是允許材料收縮在一定的范圍內(nèi)隨機(jī)波動(dòng)。但對(duì)于堆積在已加工層上的堆積絲來(lái)說(shuō)，由于它受到約束，收縮量比自由狀態(tài)要小。零件尺寸的實(shí)際收縮將受到零件形狀、尺寸、成型過(guò)程工藝參數(shù)設(shè)置以及每層成型時(shí)間等因素單獨(dú)或交互地制約，且每種因素均具有不確定性，故很難找到一種精確的數(shù)學(xué)模型來(lái)衡量實(shí)際收縮量。

為了提高FDM成型精度，在分層參數(shù)和成型工藝參數(shù)不變的情況下，只有通過(guò)試驗(yàn)來(lái)估算收縮系數(shù)的大小，針對(duì)不同的零件形狀和結(jié)構(gòu)特征，在設(shè)計(jì)時(shí)考慮收縮量進(jìn)行尺寸補(bǔ)償，使CAD模型的尺寸略大于零件的實(shí)際尺寸，當(dāng)冷卻凝固時(shí)，零件尺寸最終收縮到成型件的尺寸。

減少收縮應(yīng)力的合理工藝制作方法
對(duì)于制件的翹曲變形，可采用多種合理的工藝制作方法減少收縮應(yīng)力。
材料所具有的收縮率和收縮取向會(huì)直接影響DM成型件的尺寸精度，同時(shí)凝固過(guò)程中的體積收縮也將會(huì)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，嚴(yán)重時(shí)這個(gè)內(nèi)應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致制作件的翹曲變形及脫層現(xiàn)象。翹曲變形與材料收縮率、成型室溫度、原型斷面長(zhǎng)度、原型堆積層數(shù)和堆積層層厚有關(guān)，最大的翹曲變形量噴頭溫度，℃；日。為成型室溫度，℃。

由式(2)可知，可以通過(guò)以下途徑減小內(nèi)應(yīng)力和翹曲變形：1)提高成型室的溫度，降低溫差，減小內(nèi)應(yīng)
力；2)增大填充間隔，減小內(nèi)應(yīng)力；3)減小原型斷面長(zhǎng)度．改變成型零件的方位，使每個(gè)截面的路徑最短；4)
減小層厚。對(duì)一確定的成型件，層厚減小，使層數(shù)增加，有助于減小翹曲變形；5)增加基底厚度，使變形都在基底座上，而實(shí)際成型時(shí)產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力相互抵消。

理想輪廓線的補(bǔ)償
理想輪廓線的補(bǔ)償是減少噴絲寬度引起的噴涂輪廓幾何誤差的一種對(duì)策。通常在分層參數(shù)設(shè)置里，認(rèn)為理想輪廓線的補(bǔ)償就是噴嘴孔的直徑。但由于絲從噴頭擠出到成型是從熔融態(tài)到固態(tài)，當(dāng)噴頭沿由數(shù)控程序生成的理想輪廓線進(jìn)行填充時(shí)，擠出絲的直徑比噴嘴孔直徑略大一些；在成型過(guò)程中，擠出絲由于受層與層間的擠壓不會(huì)是圓柱形，而是具有一定寬度的扁平形狀，如圖I所示。所以輪廓截面絲寬不等于噴嘴直徑。