基于CAD建模的FDM 快速成型技術及其誤差分析

吳曉燕 王立成

（南京科技職業學院機械技術系，江蘇 南京 210048）

眾所周知，新產品的開發過程中對于所設計的零部件，在投入大量資金進行加工或裝配之前，一般需要先期加工一個簡單的樣品或原型，以便對產品設計進行評價、修改和功能驗證。而一件原型的生產極其費事，僅模具的制作就需要花費大量的時間和資金。隨著當前制造業市場環境的變化，消費者的需求越來越多元化、個性化，產品的更新換代周期必然會越來越短，消費市場的需求促使制造廠商不得不加快產品的研發周期，快速將多樣化的產品推向市場以搶占先機，求得生存發展的空間。因此，產品的快速開發是制造企業贏得21 世紀國際市場競爭的關鍵，而快速成型技術能夠迅速將設計思想轉化為產品，其對制造業的影響可與數控技術（CNC）相媲美。

1 快速成型技術的原理

快速成型技術（Rapid Prototyping，簡稱RP）是上世紀80 年代末發展起來的一種基于材料累加成型原理的新型制造工藝，它是集多種先進科技于一體的現代制造技術。與傳統機械制造中“去除”材料的加工方法不同，RP 技術將復雜的三維制造分解為簡單的二維加工的疊加，是一個從離散到堆積的過程，其工藝流程如圖1 所示。利用零件的三維CAD 模型，通過軟件將其按一定厚度離散成一系列二維層面，再結合加工參數驅動成型機按順序將材料一層一層堆積形成實體原型，原型經過打磨等處理后即成零件。由于RP 技術可以在不用模具和工具的條件下生成幾乎任意復雜的零部件，極大地提高了生產效率和制造柔性，故目前廣泛應用于汽車制造、航空航天、船舶工程、動力機械、家電制造、電動工具、醫療修復、建筑工程、工藝品制作以及兒童玩具等領域，并且隨著這一技術的不斷發展和完善，其應用范圍還將不斷拓廣[1]。

圖1 快速成型技術原理

2 FDM 技術與CAD 軟件的結合

熔融堆積成型（Fused Deposition Modeling，簡稱FDM）是快速成型技術中占主導地位的工藝方法之一。FDM 技術是基于原型的三維CAD 模型的，因此確定CAD 模型是至關重要的一步。一般采用以下兩種方法來獲取原型的三維CAD 模型：一是通過反求工程求得。反求工程對于難以用CAD 設計的零件模型以及藝術模型和活性組織的數據提取是非常有利的工具，而快速成型又不受模型幾何形狀的限制，可以快速地將測量數據復原成實體模型，反求工程與RP 技術的結合實現了零件的快速三維拷貝[2]。二是直接利用CAD 設計軟件進行設計。在計算機上用計算機輔助設計方法將已有產品的二維三視圖轉換成三維模型，或者根據產品的要求直接設計三維模型，顯然是一種較為便捷理想的方法。目前，常用的計算機輔助設計軟件有SolidWorks、Unigraphics、Pro/Engineer、AutoCAD 等，這些軟件均有較強的實體造型和曲面造型功能。下面以玩具汽車車身模型的快速成型來說明FDM技術與CAD 軟件相結合的運用方法。

（1）車身CAD 建模

本文中直接利用UG 8.0 軟件設計玩具汽車車身CAD 三維模型，如圖2 所示，主要用到了N 邊曲面、偏執曲面、有界平面、拉伸、鏡像特征、螺紋孔等功能命令。

圖2 車身CAD 模型

（2）成型機的選用

根據車身CAD 模型的大小及其精度要求選擇合適的快速成型機，以滿足其成型速度和精度的要求，本文中選用Stratasys 公司的Dimension BST 1200es 系列3D 打印機，其基本參數如表1 所示。

表1 Dimension BST 1200es 系列3D 打印機基本參數

（3）CAD 模型處理

由CAD 造型軟件生成汽車車身的三維CAD 實體模型或曲面模型，然后將CAD 模型轉化為STL 文件格式，即對實體模型或曲面模型進行切片處理，將三維模型近似成多個小三角形平面的組合。精度要求越高，曲面越不規則，所需要的三角形面片的數目就越多，STL 文件就越大。或者對CAD 三維模型直接進行分層處理，得到精確的截面輪廓。分層切片模型在系統中起到承上啟下的作用，它的準確性直接影響成型零件的規模、精度和效率。

（4）快速成型制作工藝

把生成的汽車車身STL（STereo Lithography）文件導入快速成型機系統中，根據零件的精度要求、型面的復雜程度等確定成型方向并設置成型參數。一般來說，成型方向設置是否合理，決定著成型速度的快慢、成型時間的長短以及成型材料消耗的多少。如圖3 所示為成型方向確定后車身模型及支撐。成型層厚一般為0.2mm，單獨成型一個約需2h 左右，若一次成型8 個，由于掃描時間增加，約需要12h。最后將成型的汽車車身模型去除支撐，再進行打磨、拋光等后處理工藝，以提高模型的精度。如圖4 所示為汽車車身的成型件。

圖3 車身模型及支撐

圖4 車身成型件

3 成型件精度的影響因素分析

在熔融堆積成型過程中，形成成型件誤差的因素有很多，實踐證明，前期處理階段、熔融堆積成型階段、后處理階段產生的誤差對成型件精度和表面粗糙度有較大的影響。

（1）前期數據處理誤差

在快速成型加工工藝中，零件的CAD 模型在建模軟件中生成之后，必須要經過分層處理才能將數據輸入到快速成型機中。在CAD 模型分層處理的眾多方法中，基于STL 模型的分層方法是主流方式。采用STL 文件切片方法，誤差主要產生于三維模型的STL 文件格式轉換和對STL 文件分層處理兩個過程[3]。STL 文件的數據格式會將CAD模型連續的表面離散成若干小三角形面片的集合，小三角形數量的多少直接到影響近似逼近的精度。當實體模型表面是平面時不會產生誤差，但是對于曲面而言，無論精度多高，也不能完全表達原來的表面，故不可避免地產生了逼近誤差。

將CAD 模型面片化后，再對其進行分層切片，即用一簇垂直于成型方向的平行平面與面化模型求截交面來得到輪廓信息。由于每一切片層之間存在距離，因此切片不僅破壞了模型表面的連續性，而且不可避免地丟失了兩切片層間的信息[4]，導致“階梯效應”現象的產生，如圖5 所示。尤其是相對成型方向上傾斜的表面，曲面精度明顯降低，造成面型精度誤差。

圖5 RP 技術中的“階梯效應”

（2）熔融堆積成型誤差

熔融堆積成型所用的材料為熱塑性材料，成型過程中材料會發生兩次相變：一次是固態絲狀受熱熔化成熔融狀態；另一次是熔融狀態經過噴嘴擠出后冷卻成固態。在凝固過程中，材料的收縮變化會直接影響成型件的尺寸精度，甚至導致成型件產生翹曲變形或脫層現象，應采用合理的制作方法減少收縮應力或設計合理的支撐結構以限制翹曲變形。

在熔融堆積成型過程中，噴嘴溫度、擠出速度和填充速度、擠出絲寬度等加工參數設置也會對成型精度產生嚴重的影響。研究表明，對特定的材料應根據其特性選擇不同的噴嘴溫度，FDM 工藝的關鍵是控制半流體成型材料的溫度比熔點溫度高1～2℃。填充速度是指掃描截面輪廓的速度，為了保證連續平穩地出絲，填充速度與擠出噴絲的速度應在一個合理的范圍內匹配，使得噴絲從噴嘴里擠出時的體積與粘結時的體積相等，否則會造成成型表面材料分布不均勻或斷絲現象。擠出絲的寬度不是一個固定值，在成型過程中受到諸多因素的影響，因此需要在生成零件輪廓路徑時對理想輪廓線進行補償。

（3）后處理誤差

從成型機上取出已成型的模型后，需要剝離支撐結構，可能會對表面質量產生影響，所以支撐設計和成型方向是否合理很重要。在選取成型方向的時候，需綜合考慮加支撐要少，并便于去除等因素。有時還需要對工件采用固化、修補、打磨、拋光和表面處理等手段來提高表面質量，但在此過程中，如果處理不當會影響到原型的尺寸及精度，從而產生后處理誤差。

4 結語

CAD 建模的設計數據具有良好的一致性，當三維模型發生改變時，系統會自動地修改與之相關的圖紙信息；在成型過程中，對影響成型件精度的因素進行合理有效地控制，為成型過程的整體優化和制作性能優良的產品提供了保障。基于CAD 三維模型的FDM 技術，極大地提高了成型件的設計效率，縮短了新產品的開發周期，成為提高企業市場競爭能力的關鍵技術之一。

［1］洪軍，唐一平，盧秉恒.快速成型技術在新產品快速設計與制造中的應用研究[J].機械設計，2000，12(12)：7-9.

［2］史桂蓉，邢淵，張永清.反向工程應用現狀及研究方向[J].機械科學與技術，2000，7(4)：653-655.

［3］林濤.基于快速成型技術的零件模型構建與工藝的研究[D].西南交通大學，2007.

［4］伍詠輝.熔融涂覆快速成型件的成型誤差分析[J].廣西輕工業，2010，10(10)：46-47.