熔融沉積快速成型精度及工藝分析

朱政紅 謝卓

（合肥工業大學）

熔融沉積快速成型精度及工藝分析

朱政紅 謝卓

（合肥工業大學）

熔融沉積成型技術（FDM）是一種典型的快速成型技術，成型件的精度由于受多種因素的影響，使制件質量難以保證，這也是影響FDM發展的主要因素。本文分析了影響成型件精度的因素，并根據實際加工提出了提高成型精度和表面質量的措施。

熔融沉積；成型精度；工藝分析

引言

隨著我國經濟的不斷快速發展，尤其是近幾年，市場環境發生了很大的改變，人們對工業產品的要求越來越高，這就對制造廠商提出了較高的要求，不僅要滿足消費者個性化的需求，還要盡可能的減少生產周期，并且保證工業產品的質量，設計出符合人們要求的產品。隨著全球市場一體化的進一步形成與完善，制造業不斷向信息化發展，快速成型技術應運而生[1]?？焖俪尚图夹g解決了傳統制造方法的缺點，以一種全新的制造思想、極快的制造速度和靈活多變的產品模型而受到極大關注，適應了時代發展的要求，這種快速成型技術具有較多的優點，不僅可以提高生產效率，還成功地實現了原型制造的自動化，將計算機輔助設計、數字控制等先進技術融合在一起[2]。快速成型技術適應了時代發展的要求，縮短了市場開發周期，降低了企業開發成本，提高了企業的產值，是近年來制造技術領域中最熱門的研究熱點之一。

1 熔融沉積快速成型的特點

熔融沉積快速成型（FDM）發展如此迅速，主要是因為它有以下其它工藝無法比擬的優點：①熔融沉積快速成型技術不使用激光，這樣不僅操作簡單，而且企業的制造成本也較低。②熔融沉積快速成型技術采用的是塑料絲材，這種材料與其他材料相比更加容易清潔，也便于后期的更換，這是FDM工藝的主要優點，尤其是與粉末和液態材料工藝相比，這種絲材不會在設備中形成粉末或液體污染[3]。FDM工藝另一個主要的優點是其材料性能，其ABS原型強度可以達到注塑零件的1/3，最近又出現了幾種新型材料，PC、PPSF等，這些材料可在某些特定場合下直接使用，隨著材料性能和工藝水平的進一步提高，會有更多的FDM原型在各種場合直接使用。③后處理簡單。熔融沉積快速成型技術僅需要幾分鐘到一刻鐘的時間剝離支撐后，原型即可使用。④成型速度較快。一般來講，FDM工藝相對于其他工藝來說，速度是比較慢的，但是其也有一定的優勢。當對原型強度要求不高時，可通過減小原型密實程度的方法提高FDM成型速度。

2 熔融沉積快速成型精度的影響因素分析

熔融沉積快速成型（FDM）工藝不用激光，使用簡單，制造成本較低，尤其是最近幾年，該工藝發展極為迅速，目前FDM系統在全球已安裝快速成形系統中的份額大約為40%，具體FDM流程如圖1所示。

圖1 FDM流程圖

2.1 原理性誤差

（1）CAD模型擬合成STL文件時的誤差。我們在快速成型領域中經常用到STL文件格式，STL文件數據處理是將模型離散為多層輪廓，再以各種方式填充一個復雜的模型，通過轉換后產生的STL文件包含百萬個三角形面片。尤其是當多個曲面進行三角化時，在曲面相交處會出現較多的錯誤和缺陷，這樣就大大降低了模型的精度，不過我們可以增加一定數量的三角形面片來達到減少幾何誤差的效果，這樣就可以在很大程度上提高模型近似精度。一般情況下采用弦高來控制幾何誤差，ε表示弦高，指的是近似三角形的輪廓邊與曲面之間的徑向距離，如圖2所示。

圖2 STL文件格式誤差

（2）切片過程中的誤差。通過對實體進行分層處理，不僅可以簡化工藝，同時完全解決了加工中的幾何干涉問題。但是每一個切片層之間存在一定的距離，這樣就破壞了模型表面的連續性，而且分層的厚度越大，兩切片層間的信息丟失的就越多，這樣就導致原型不僅會產生形狀誤差，也會產生較大的尺寸誤差。

2.2 成型過程中的誤差

在FDM工藝成型過程中，誤差主要存在于FDM設備自身固有工藝參數中或者用戶設定的工藝控制參數中，不同的工藝參數造成的加工時間不同，并且不同的工藝參數造成的成型精度也有很大的差別。

（1）成型溫度。成型溫度包括兩個部分：①環境溫度；②噴嘴溫度。環境溫度是指系統工作時原型周圍環境的溫度，通常是指成型室的溫度。環境溫度主要影響成型工件的表面質量，如果溫度太低，就會使成型零件熱應力增加，容易引起零件翹曲變形，并且在較低溫度下，擠出絲冷卻速度快，前一層截面已完全冷卻凝固才開始堆積后一層，導層間粘接不牢固，零件會出現開裂；如果溫度過高，前一層的絲還沒有完全固化，后一層絲就開始往上堆積，就會使零件表面產生“坍塌”現象。噴嘴溫度是指噴嘴加熱到一定值時的工作溫度，一般情況下，噴頭的最佳溫度是使絲材保持在熔融狀態，熔融狀態是指處于固態與液態之間的狀態，使材料的粘性系數保持在一個穩定的范圍之內，如果絲的擠出速度合理的話，就會均勻出絲，避免發生層面剝離的現象。

（2）擠出速度和掃描速度。擠出速度指的是絲材擠出噴嘴的速度，而掃描速度指的是絲材隨噴嘴運動的速度，因為成型件的每一層都是封閉的幾何邊界，并且每一封閉的幾何邊界都存在起停點，擠出速度和掃描速度要有一個合理的匹配范圍，這樣就可以避免材料的過剩或不足，才會得到較高的制件精度，如果擠出速度和掃描速度小于這個合理的匹配范圍，就會產生“拉絲”或者“斷絲”的現象，嚴重影響制件精度；如果擠出速度和掃描速度超出這個合理的匹配范圍，就會導致制件變形，引起噴嘴“碳化”或者“粘附”現象，阻礙下一步的加工，所以擠出速度和掃描速度都要有一個合理的范圍。

（3）延遲時間。延遲時間包括開啟時出絲延遲時間和關閉時斷絲延遲時間兩個部分。當打開開關時，送絲機構開始送絲，但是噴嘴有一定的延時，不立即出絲，我們把這一段時間稱為出絲延遲時間；當送絲機構停止送絲，然而噴嘴仍在噴料，不立即斷絲，有一定的延時，我們把這一段時間稱為斷絲延遲時間。當出絲延遲發生時，會造成欠堆積現象；當斷絲延遲發生時，造成過度堆積現象，形成“節瘤”，所以不僅需要優化出絲延時還需要優化斷絲延時，距起點多遠開始送絲，就距終點多遠斷絲。

（4）填充方式。填充方式對制件的影響較大，不僅關系到成型時間，也與制件的機械性能息息相關，其中填充間距是至關重要的一項因素，如果填充間距過小，就可以大大提高制件的機械性能，但是也會產生負面影響，使加工時間較長，增加成本；如果填充間距過大，雖然可以減小加工時間，降低成本，但是也會大大減弱制件的機械性能，一般情況下，我們采取1.5mm填充間距。

2.3 后處理過程的誤差

一般情況下，為了提高制件的質量，需要對已經成型的工件進行后處理，一般都需要打磨、拋光和表面處理，如果成型件有支撐結構還需要剝離支撐結構，在處理過程中一般會出現以下幾種誤差：

（1）由于支撐結構與工件緊密結合，很難去除，所以在去除支撐結構的過程中，往往會影響到工件的表面質量，如果操作不當，就會導致工件表面被劃傷。為了解決這一問題，我們可以采用水溶性材料，這樣就可以很好的去除支撐結構，但是這種方式價格較高。所以，我們在設計成型件之前，就要首先考慮支撐方式，把支撐間距控制在一個合理的范圍之內，一般支撐間距為3mm，并且在選取成型方向時，要選擇合理的成型角度，這樣就可以在很大程度上避免在去除支撐結構的過程中對工件的影響。

（2）由于工件周圍環境會隨時間發生變化，并且環境等因素對加工好的工件影響較大，為了防止溫度、濕度等導致的工件變形，影響成型精度，所以應當盡量保持工件的周圍環境，一般快速成型的固化時間為8天，這8d之內應該盡量保持工件的周圍環境保持不變。

3 加工參數對FDM成型件質量的影響

影響FDM成型件質量的因素有很多，本文選取了幾個重要的工藝參數進行分析。

3.1 加工參數對表面粗糙度的影響

快速成型技術采用分層疊加制造的方式來制造工件，簡單來說就是將一個模型分成很多層切片，但是這些切片僅僅是簡單的具有一定厚度的層片，在進行分層疊加之后形成的輪廓只是這些層片組成的曲線輪廓，這樣就產生了階梯誤差，一般情況下，我們稱這種現象為“臺階效應”，如圖3所示。

圖3 臺階效應

分層厚度和成型方向是影響FDM制件表面粗糙度的關鍵因素，其中表面粗糙度與分層厚度成正比，所以在FDM成型過程中在條件允許的情況下，應該盡可能的減小分層厚度，一般選擇0.15～0.3mm范圍之內，這樣就可以大大減小制件的表面粗糙度。

具體FDM制件表面粗糙度與成型角度見圖4所示，當成型角度為90°的時候，制件表面粗糙度最小為0，隨著成型角度變大或者縮小，制件表面粗糙度呈現逐漸增大的趨勢。通過以上理論分析，得出成型方向對制件的表面粗糙度具有較大的影響，最好的表面粗糙度存在于90°左右。

圖4 成型角度

3.2 加工參數對機械性能的影響

隨著我國社會化的不斷發展，現在的快速成型制件主要用于成型設備制造零件并直接投入使用，這是目前發展的一個趨勢，并且對FDM制件的機械性能提出了更高的要求，現主要研究擠壓性能和拉伸性能這兩個工藝參數對機械性能的影響。

（1）拉伸性能（如圖5）。

（2）擠壓性能（如圖6）

由圖5和圖6中我們可以發現，不管是對FDM制件進行壓縮試驗還是進行拉伸試驗，我們發現如下規律：①隨著分層厚度的增加，可以大大增強FDM制件的抗壓和抗拉強度；②填充間隔也是影響FDM制件機械性能的一個重要因素，填充間隔越大，制件的抗拉和抗壓強度越大，反之就會減小。通過研究不同工藝參數對制件機械性能的影響，可以得出不同參數組合來滿足對機械性能的不同要求。

圖5 抗拉強度的變化曲線圖

圖6 抗壓強度的變化曲線圖

4 結論

綜上所述，本文主要分析了FDM技術中影響成型件精度的幾個影響因素，并針對問題提出了一些具體參數和優化方法，對實際加工生產中的參數選擇和FDM技術的發展和改進方面的研究提供了參考價值。

[1]肖棋，江開勇.熔融沉積快速成形工藝材料粘結質量分析[J].華僑大學學報：自然科學版，1999（4）：387～391.

[2]鄒國林.熔融沉積制造精度及快速模具制造技術的研究[D].大連理工大學，2002.

[3]李寶強，方沂.熔融沉積快速成型工藝精度分析與研究[J].福建輕紡，2013（11）：41～44.

[4]于海波.熔融沉積成型的精度分析及結構設計[D].桂林電子科技大學，2014.

[5]紀良波.熔融沉積成型有限元模擬與工藝優化研究[D].南昌大學，2011.

[6]蔣華，王如英.薄壁零件熔融沉積快速成型工藝的研究[J].現代制造，2005（17）：36～37.

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2016-4-15

朱政紅（1958-），女，合肥工業大學，副教授，主要研究方向為先進制造技術與現代制造系統。