基于FDM的工藝品模型制作

（江門(mén)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電技術(shù)系，廣東 江門(mén) 529000）

傳統(tǒng)的工藝品模型制作是設(shè)計(jì)師將設(shè)計(jì)的構(gòu)想與意圖，綜合美學(xué)、工藝學(xué)等，憑借對(duì)各種材料的駕馭，塑造出三維空間的形體。不同材料的工藝品模型，制作的過(guò)程不同，但不管哪種，制作的周期都比較長(zhǎng)，成本比較高。

快速成形技術(shù)是20世紀(jì)80年代后期發(fā)展的一種高新制造技術(shù)，它是集機(jī)械工程、CAD、逆向工程技術(shù)、分層制造技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、材料科學(xué)及激光技術(shù)于一體的技術(shù)總稱。快速成形技術(shù)是由CAD模型直接驅(qū)動(dòng)的快速制造任意復(fù)雜形狀三維物理實(shí)體的技術(shù)總稱。

熔融沉積成形技術(shù)是上世紀(jì)80年代末由Stratasys公司推出，是采用熱能加熱熱塑性材料，并從擠出頭擠出熔融材料從而逐層堆積出原型件的一種工藝。

本文采用FDM快速成形技術(shù)對(duì)大雁塔模型進(jìn)行制作，縮短了制作的周期，節(jié)約了成本。

1 FDM的原理

熔融沉積制造（FDM）也稱熔融擠出成形，它是將絲狀的熱塑性材料加熱融化，同時(shí)噴頭在計(jì)算機(jī)的控制下，根據(jù)截面輪廓將材料有選擇性地涂覆在工作臺(tái)上，當(dāng)快速冷卻后形成一層截面。當(dāng)一層截面成型完成后，工作臺(tái)下降一定高度，再進(jìn)行下一層的涂覆，如此循環(huán)，最終形成三維產(chǎn)品零件。

2 工藝品模型的制作

大雁塔模型塔身一共七層，塔體呈方形錐體。最大的模型尺寸：90mm×90mm×50mm；最小的模型尺寸為：48mm×48mm×65mm，制作模型如圖1所示。

圖1大雁塔模型

2.1 工藝軟件及流程

工藝軟件是快速成形技術(shù)的靈魂。由于FDM成形速度慢、精度低，為了保證設(shè)備的加工效率和制件的成形精度，必須對(duì)快速成形中使用的支撐結(jié)構(gòu)和類型以及掃描填充路徑的種類進(jìn)行改進(jìn)。

目前基本采用的都是直壁的支撐結(jié)構(gòu)。掃描填充路徑方面，大多參考傳統(tǒng)的NC加工中的二維銑削加工的路徑規(guī)劃方法。

本次大雁塔模型制作采用的是Dimension sst 1200es FDM快速成型機(jī)，配套軟件是CatalystEXPagoda6。加工流程如下圖2所示。

圖2 FDM加工過(guò)程

本文中的大雁塔模型的制作周期短，對(duì)精度以及制件的強(qiáng)度要求不高，F(xiàn)DM快速成形技術(shù)能夠很好的滿足制作的需求。

2.2 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

本文大雁塔模型先是通過(guò)掃描儀掃描得到點(diǎn)云數(shù)據(jù)，再用Geomagic、UG軟件進(jìn)行曲面重構(gòu)和設(shè)計(jì)。將模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為快速成形設(shè)備支持的STL文件以便進(jìn)行加工。轉(zhuǎn)化時(shí)要注意對(duì)相交三角形進(jìn)行修復(fù)，以及縫合好完整的曲面片，因?yàn)檫@些缺陷會(huì)影響制件的精度。

本次加工模型的Dimension sst 1200es FDM快速成型機(jī)如圖3所示。它的加工尺寸范圍為:254 mm×254mm×305mm，大雁塔模型塔身七層方形錐體中最大的模型尺寸：90 mm×90 mm×50 mm；最小的模型尺寸為：48mm×48mm×65mm。若直接將七個(gè)模型一起加工，雖然可以節(jié)省時(shí)間，但是會(huì)浪費(fèi)加工材料，而且在制作過(guò)程會(huì)由于冷卻收縮產(chǎn)生很大的變形，從而影響制件的質(zhì)量。因此將七個(gè)模型分三次加工，可以解決上述問(wèn)題。

圖3 FDM快速成型機(jī)

2.3 模型加工及后處理

將STL格式的大雁塔模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入到CatalystEX-Pagoda6軟件中，調(diào)整好模型的位置，設(shè)置加工層厚為0.254 mm，以及設(shè)置好填充率、進(jìn)給速度等其他工藝參數(shù)。軟件會(huì)根據(jù)每層切片的輪廓生成相應(yīng)的加工路徑，產(chǎn)生G代碼。

支撐填充是制件內(nèi)部腔體的填充的密度，只有在內(nèi)部生成一定的網(wǎng)狀支撐，才能保證制件的強(qiáng)度。如果填充率設(shè)置過(guò)大，會(huì)增加打印的時(shí)間，降低效率。此次制作過(guò)程中，由于模型較小，一般設(shè)置支撐填充為smart.

用于此次大雁塔模型加工的快速成型機(jī)的加工成型精度為0.1 mm，加工的材料為ABS plus增強(qiáng)型工程塑料，支撐材料為SR-30水溶性材料，支撐去除方式采用溶解式。操作環(huán)境為最高室內(nèi)溫度30°C，相對(duì)濕度范圍：30%~70%，對(duì)模型完成加工。

加工好的制件需要進(jìn)行后處理，去除支撐，對(duì)制件表面進(jìn)行處理，使制件的精度、表面粗糙度等達(dá)到要求。為了使制件表面更加光亮平滑，還要進(jìn)行拋光處理。由于七個(gè)模型分成三次加工，加工完成后要對(duì)制件進(jìn)行裝配。制作模型及裝配后的大雁塔模型如圖4所示。

圖4模型制作及裝配

3 缺陷分析及解決方法

在大雁塔模型制作過(guò)程中，由于加工設(shè)備以及加工工藝參數(shù)因素產(chǎn)生了一些缺陷，主要有：制件的收縮變形和開(kāi)裂，如圖5所示。

圖5模型收縮變形及開(kāi)裂

3.1 加工設(shè)備分析

加工采用的FDM快速成型機(jī)是單噴頭的。在加工過(guò)程中，由于冷卻速度不均勻，當(dāng)制件加工到一定的高度時(shí)，靠近加熱底板的那部分相對(duì)于上部分冷卻較為緩慢，導(dǎo)致制件的底部插口處有輕微變形，這會(huì)影響制件的裝配。要想解決冷卻變形問(wèn)題，需要將加工環(huán)境保持一定的恒溫。目前，一部分FDM快速成型機(jī)都采用了保持加工環(huán)境70°的恒溫艙的設(shè)計(jì)，但是這樣會(huì)導(dǎo)致設(shè)備成本增高，不便于推廣。可以考慮將模型內(nèi)部變?yōu)榭涨换蛘叱闅さ姆绞剑员慵涌靸?nèi)部的散熱，這樣不僅提高制件的強(qiáng)度，而且縮短了加工的時(shí)間。

在實(shí)際加工過(guò)程中，底板的水平度對(duì)材料的附著有著很大的影響，若材料不能很好地附著在底板上，制件將會(huì)產(chǎn)生很大的變形，因此，在加工前要校準(zhǔn)底板以保證底層的加工。

3.2 加工參數(shù)的設(shè)置

加工實(shí)踐表明，噴嘴和底板的溫度、層厚、填充率以及噴頭的運(yùn)動(dòng)速度等對(duì)制件的質(zhì)量影響很大。不同的模型加工時(shí)需要選擇不同的工藝參數(shù)。FDM加工采用的是分層加工，加工過(guò)程中存在一定的階梯效應(yīng)，從而影響制件的精度。因此，應(yīng)盡量減小分層厚度，適當(dāng)?shù)奶岣叩装宓臏囟龋軌蛴行p小制件的變形。

另外，由于支撐材料的影響，遠(yuǎn)離底板的那些層面質(zhì)量相對(duì)好些。因此，在實(shí)際加工的過(guò)程中要將重要面放在上面以保證制件的質(zhì)量。

通過(guò)校準(zhǔn)底板，把模型內(nèi)部變?yōu)榭涨灰约皩?duì)加工參數(shù)的調(diào)整。此后，新加工的制件缺陷明顯減少。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文使用FDM快速成型機(jī)進(jìn)行大雁塔模型的制作，針對(duì)大雁塔模型在制作過(guò)程中由于加工工藝參數(shù)、加工的設(shè)備等因素產(chǎn)生的制件冷卻收縮變形以及開(kāi)裂等缺陷進(jìn)行了分析。提出了減小制件冷卻收縮變形的方案，優(yōu)化了加工工藝參數(shù)，從而提高了制件的質(zhì)量和制作的效率。

在制造業(yè)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈的今天，采用快速成形技術(shù)可以快速實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)制造一體化，縮短開(kāi)發(fā)周期，降低開(kāi)發(fā)成本。

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