堆銑復合成型技術制造高品質零件的方法

齊元磊 王東興 于建濤 王海峰

(煙臺大學機電汽車工程學院，山東 煙臺264005)

熔融沉積快速成型技術(簡稱FDM 技術)是對絲狀材料進行熔融后由噴頭逐層噴涂堆積成型的一種快速成型方法［1］。FDM 技術可以快速地將三維模型轉化為原型或零件，但其成型零件存在精度差、密度低、強度弱等問題，只能作為產品的結構測評和模型觀賞。如何提高成型零件的精度和強度使其達到實際應用的標準是FDM 技術今后發展的主要方向。針對這些問題的改善方法［2－3］多數是從優化成型參數的角度出發，但受到成型過程中各種因素的限制，通過優化成型參數的方法難以使零件的精度和強度提升到實際應用標準。Carnegie Mellon University 和Stanford University聯合提出的形狀沉積制造法［4－5］，采用材料逐層疊加的方法，在層內將去除成型和澆注成型相結合，能夠制造出具有一定精度和表面質量的產品。

目前對于FDM 成型零件品質的研究基本上都是針對改善成型零件的精度的研究，對于成型零件的密度強度的研究較為缺乏。結合上述內容，本文采用了一種FDM 復合成型工藝:將FDM 技術與銑削相結合，采用邊堆積邊銑削的加工工藝來解決影響成型零件精度和密度的缺陷，并通過實驗驗證了復合工藝成型零件的精度和密度，尤其是零件密度，有較為顯著的提升。

1 結合銑削的熔融沉積制造工藝

1.1 復合成型設備

本文采用的復合工藝而在零件成型時采用邊堆積邊銑削的加工工藝。參考Stanford University 的形狀沉積制造法的實驗設備［6］，在1 臺三坐標數控裝置上安裝圖1 所示的復合工藝堆銑一體裝置構成了復合成型設備。因為銑削和堆積過程是交互進行的，所以將銑削機構和堆積機構安裝在一起，并通過底板統一安裝到機床的Z軸上，這樣安裝，在銑削時不需要對銑刀重新定位夾緊，而且可以直接按照工件的成型路徑對工件進行銑削。在成型系統中加入了絲杠傳動來帶動擠出機上下移動，這樣在銑削時擠出機可以上升，避免噴頭與工件產生干涉而劃傷工件表面，堆積時擠出機下降到噴嘴略低于平銑刀底端的位置。

1.2 復合成型工藝

本文采用的邊堆積邊銑削加工工藝的基本思路是:成型開始時，擠出機由傳動系統帶動下降到工作位置后開始工作，按照輪廓和填充軌跡堆積完成一層工件后，擠出機停止工作并由傳動系統帶動上升一定高度，然后移動到銑削位置，銑刀按照工件的成型路徑對工件當前堆積層的頂面和側面進行銑削，這樣既保證下一層工件堆積順利，又可保證工件的成型精度。銑削完成后，再移回到堆積位置，擠出機下降至工作位置開始堆積下一層零件，如此反復，直至工件成型結束。此外，在堆積完一層后應讓工件冷卻后再進行銑削，這樣可以避免出現因工件溫度過高銑削時材料粘附銑刀的情況。在銑削工件時應盡量采用順銑［7］以避免工件表面出現毛刺，工件可以先粗銑后精銑以獲得更高的表面質量。

2 復合工藝對零件密度提升程度的實驗研究

2.1 影響零件強度的因素分析

零件的強度是指零件在外力作用下抵抗永久變形和斷裂的能力，是衡量零件承載能力的重要指標，是零件在實際應用中首先應該滿足的基本要求。對于熔融堆積成型的零件，其強度與零件的密度有著直接的關系，零件密度越大，強度越高。零件的密度主要是由成型零件內部相鄰材料之間的間隙［8］(即填充間隙)的大小決定的。

如果要求成型零件達到高強度，在成型時應使填充間隙小于零，這樣同層相鄰材料之間存在重疊，整個片層的材料會融合成1 個整體，片層之間也能得到充分融合，零件的密度得到很大的提升。在實際加工中發現，填充間隙小于零時，重疊部分材料堆積過多導致片層表面凹凸不平(如圖2 所示)，不僅影響零件的表面質量，而且在成型過程中會導致噴頭堵塞。為了較好的表面質量和成型過程的順利，目前常用的FDM 成型機在零件加工時都會保證同層相鄰材料之間有足夠的間隙，在成型過程中不會發生重疊。這樣一來成型零件的密度大大降低，零件的強度難以達到較高的水平。

采用本文所述的復合工藝成型的零件能夠有很高的強度。加工時采用復合工藝，成型過程中因材料重疊導致的表面凹凸不平的缺陷可以通過銑削輕松解決，如圖3 所示，零件表面平整光滑。因此采用復合工藝成型零件，可以令填充間隙小于零，這樣堆積時同層相鄰材料之間相互重疊，整個片層以及片層之間能夠充分融合，最終成型的零件內部幾乎不存在間隙，零件近似于1 個密實體，零件的密度自然很高，而強度也能達到較為理想的水平。

為了成形高密度零件，擠出機的擠出壓力和熔融材料的溫度都需要提高。本成型裝置的擠出機中采用了額定轉矩更大的步進電動機，噴頭溫度設定為235 ℃。

2.2 密度提升程度的實驗驗證

為了具體地說明采用復合加工工藝對零件密度的提升程度，本文設計了1 個尺寸為100 mm ×10 mm ×10 mm 的長方體工件作為密度測試件。在一臺普通FDM 成型機上設置為最高密度方式成形出圖4 所示的試件A;在本文所述成型裝置上采用復合成型工藝成形出圖5 所示的試件B，主要的成型參數為:

分層厚度:0.4 mm;成型材料:直徑為1.75 mm 的ABS 絲材;密度為ρ =10.5 ×10-4g/mm3;成型溫度:235 ℃;成型室溫度:70 ℃。

試件A 和B 的質量分別為mA=7.89 g，mB=10.34 g，試件的尺寸都是100 mm ×10 mm ×10 mm，體積為V=10 000 mm3，所以，2 個試件的密度分別為

由以上數據可知，采用復合工藝加工成型零件的密度比傳統FDM 工藝成型的零件密度高出31.05%。由此可見，FDM 復合成型工藝對于成型高密度的零件是有優勢的。

3 復合工藝影響零件精度的實驗研究

除了前文提到的因材料堆積過多引起的表面凹凸不平的現象之外，臺階效應［9］也是影響零件表面精度的常見缺陷。臺階效應是對模型進行分層處理時產生的，與分層厚度成正比。層厚越小，臺階效應越弱，但成型時間也越長。如果用較大的層厚進行材料堆積，再用較小的層厚對成形件進行銑削，則既可以縮短成型時間，又可以大幅度提高成型精度。

對于利用銑削來消除臺階效應的原理，以圖6 為例來具體說明。圖6a 是以0.3 mm 的層厚堆積和銑削成型的零件，其表面臺階效應明顯;圖6b 是以0.3 mm的層厚進行堆積，然后再以0.1 mm 的層厚進行銑削得到的零件，其表面已基本上看不出有臺階效應。

4 結語

本文提出的將FDM 技術與銑削相結合的加工工藝，能夠有效地解決傳統FDM 加工中存在的成形件密度和精度不高的問題。結合銑削的快速成型工藝尤其適合于大尺寸和高密度零件的加工，加工大尺寸零件時擠出機噴口直徑較大，出絲寬度大、速度快，零件的表面質量就難以保證，加入銑削后零件的表面質量和密度會得到顯著的改善。

［1］Masood SH. Intelligent rapid prototyping with fused deposition modeling［J］. Rapid Prototyping Journal，1996.2(1):24 -33.

［2］李星云，李眾立，李理.熔融沉積成型工藝的精度分析與研究［J］.制造技術與機床，2014(9):152 -156.

［3］何新英，陶明元，葉春生. FDM 工藝成形過程中影響成形件精度的因素分析［J］.機械與電子，2004(9):77 -78.

［4］Jose Miguel Pinilla. Retaining flexibility in process planning:application to shape deposition manufacturing［D］. Stanford:Stanford University，2001.

［5］John Kietzman. Rapid prototyping polymer parts via shape deposition manufacturing［D］. Stanford:Stanford University，1999.

［6］Alexander G Cooper. Automated fabrication of complex molded parts using mold shape deposition manufacturing［J］. Materials and Design，1999，20(2):83 -89.

［7］郭寶珍.數控銑削加工中順銑和逆銑對加工表面粗糙度的影響分析［J］.制造技術與機床，2011(2):109 -112.

［8］Wang Tian Ming，Xi Jun Tong，Jin Ye. A model research for prototype warp deformation in the FDM process［J］. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2007，33(11 -12):1087 -1096.

［9］陸春進，侯麗雅，楊繼全. 微小機械快速成型系統中的CAD 技術［J］.機械科學與技術，1998，17(4):683 -685.