FDM 3D打印尺寸誤差及其工藝補償方法研究*

董秀麗，尹德強，方　輝，張文君

(四川大學 制造科學與工程學院，成都 610000)

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FDM 3D打印尺寸誤差及其工藝補償方法研究*

董秀麗，尹德強，方輝，張文君

(四川大學 制造科學與工程學院，成都 610000)

針對熔融沉積成型的3D打印零件由于打印材料狀態波動而產生的尺寸誤差，以螺紋連接件作為實驗實例，對不同打印部位由打印材料熱脹冷縮而產生的尺寸變動進行了分析。通過實驗數據對比分析，提出了提高3D打印精度的改進措施，并對熔融沉積成型3D打印機使用過程中的部分技術問題進行了描述和分析，提出了相應的技術應用建議。

3D打印技術；尺寸誤差；收縮

0　引言

2002年美國就已制造出能打印金屬零件的3D打印機且使用激光打印的鈦合金零件的F-35戰機已進行了試飛[1]。國內3D打印技術水平發展迅速但是大多處于研發階段，做出來的成機質量也低于歐美國家，但3D打印技術得到我國極大的重視，以西安交通大學、華中科技大學、清華大學等為首的團體在研究研發中也取得了極大地進步[2-3]。

由于成型機理和成型材料等諸多方面的限制，目前通過3D打印技術制造的零件精度和強度相對于傳統金屬切削加工而言仍有差距[4]。特別的，對于熔融沉積成型(Fused Deposition Modeling，FDM)等特定類型的3D打印技術及設備，由于其打印零件的精度受到打印材料、熔融溫度、冷卻速度等多種因素的綜合影響，其工藝技術研究具有顯著的現實意義和應用價值[5-6]。本文針對熔融沉積成型3D打印零件由于打印材料狀態波動而產生的尺寸誤差，并對FDM 類型3D打印工藝進行了技術性研究，提出了相應的技術應用建議，為進一步提高3D打印零件的精度提供技術支持。

1　3D打印機選用

FDM是目前技術比較成熟的3D打印類型，具有打印設備成本低、打印設備和材料成本低、打印過程無污染等優點，故選用FDM3D打印機進行打印尺寸誤差及其工藝補償方法實驗研究。

FDM3D打印機打印工作流程如圖1所示。

圖1　FDM3D打印工作流程

2　3D打印螺紋連接件實例

2.1螺紋連接件

通過實驗打印φ=6mm的螺栓和螺母各50枚，分別測量了螺栓螺母配合的尺寸誤差以及螺栓螺紋和光桿部分的誤差。

圖2　3D打印螺柱和螺母實體

2.2數據記錄

(1)3D打印螺栓螺紋數據記錄

測量工具：數顯游標卡尺。

打印溫度：220℃；打印速度：40mm/s；打印層厚：0.4mm；噴嘴直徑：0.2mm。

表1　螺栓螺紋數據記錄

計算螺栓螺紋尺寸的算術平均值為：5.4508 mm；標準方差為：0.05653 。

圖3　螺栓螺紋尺寸分散

(2)3D打印螺母數據記錄

表2　螺母數據記錄

螺母尺寸的算術平均值為： 5.4170 mm；標準方差為：0.05452 。

圖4　螺母尺寸分散

(3) 3D打印螺栓光桿數據記錄

表3　螺栓光桿數據記錄

螺栓光桿尺寸算術平均值為：5.5848 mm；標準方差為：0.05489 。

圖5　螺栓光桿尺寸分散

2.3實驗測量誤差分析

由于PLA(聚乳酸)、ABS(樹脂)等FDM類型3D打印機材料的熱脹冷縮特性[7]，導致打印零件的實際尺寸要比理論尺寸偏小，此外，同種材料的收縮程度又受加工零件形狀尺寸、外界環境、生產制備機器設置參數等的影響也不盡相同。

根據斷面收縮率公式：

ΔS=[(D-M)/D]×100%

(1)

式中，D是理論尺寸；M是實際測量尺寸。

計算實驗結果表明：

(1)同尺寸螺母收縮最大，螺栓螺紋次之，螺栓光桿最小。

(2)由正態分布曲線可知，就離散程度來說，螺母最小，螺栓光桿次之，螺栓螺紋最大。

根據螺紋連接件尺寸實驗數據，就尺寸誤差大小而言有以下結論：

①同尺寸螺紋連接件收縮大小不一樣，螺母是內螺紋，零件外輪廓尺寸要比6mm大的多，可以給內螺紋加固支撐的作用，但零件尺寸越大收縮也就越大，故螺母尺寸收縮要比螺栓大，導致零件不能進行正確的嚙合而出現滑絲現象；

②螺栓螺紋和光桿尺寸實驗數據，說明收縮誤差不僅與零件外輪廓尺寸有關，還與散熱面積大小有關，螺紋的散熱面積大故收縮也大，光桿散熱面積相對較小，所以收縮要比螺紋小。

根據螺紋連接件尺寸實驗數據，就尺寸分散而言有以下結論：

①螺母尺寸分散最集中，也是由于外輪廓尺寸的加固支撐作用，使尺寸分散相對較穩定；

②螺栓螺紋尺寸不一，散熱面積較光桿要大且不均勻，尺寸分散較螺栓光桿部分要大。所以，離散程度中螺母最小，光桿次之，螺栓螺紋最大。

3　改進措施

3.1實驗改進措施分析

針對打印材料的熱特性，根據在螺紋連接件實驗中得出的誤差收縮數值，對于提高打印質量，提出以下解決方法：

(1)在螺栓連接中，為了使螺栓螺母能盡可能接近理論值并能夠達到正確的配合的狀態，而不會出現滑絲現象，可增大零件尺寸以補償材料收縮帶來的誤差，使補償后的零件更加接近理論值并達到正確使用的目的，即實驗經驗補償。

在其他參數不變條件下，進行對比實驗，打印直徑為6.1mm的螺栓10個，測量尺寸如表4所示。

表4　實驗改進螺栓尺寸記錄

求得算術平均值為：5.5480 mm；標準方差為：0.030258。

改進后打印出來的螺栓零件實際尺寸更接近理論尺寸，說明增大理論直徑來補償打印零件尺寸是可行的。

(2)FDM類型3D打印機打印材料種類有限，為了更好地解決材料收縮問題，我們在切片算法中選擇材料種類并自動將收縮率計算在內，使最終呈現出材料收縮后的尺寸以確定理論值，這樣就能夠使打印的零件尺寸誤差盡可能小，即算法改進補償。

(3)PLA材料的收縮率很大，可以使用方法降低它的收縮率，比如添加其他材料以增加PLA的改性等。

3.2其他工藝問題

(1)切片路徑缺陷問題：打印小直徑螺栓時出現凹槽現象，是由于噴頭打印過程中因切片算法路徑的方向轉變，加上材料的收縮而引起的材料分布不均勻，最終導致路徑閉合不完整，直徑越小凹槽越嚴重。對此可以優化切片算法打印路徑，例如，打印閉合路徑圓時，①可以使算法設置打印路徑大于一個圓，把收縮及路徑轉變帶來的路徑不閉合覆蓋掉；②使路徑閉合點在垂直方向的不同位置。

(2)粘連堵絲：長時間打印，噴頭附近溫度很高，開始重新打印新零件時，材料容易粘連在噴頭擠出口造成堵塞，導致打印失敗。對此，噴頭加熱塊最好不要外露以防與打印進行中的材料層發生粘連引起變形、材料分布不均、翹邊及嚴重時至噴頭堵塞等，可以考慮加防護罩、隔熱層等類似結構隔開加熱塊。

(3)變形：打印過程中最常見的變形是翹邊，打印面積、厚度不同的零件，翹邊的程度不同。打印螺母時，無填充的要比填充的變形大，零件的材料、散熱能力及零件形狀結構的不同而引起的散熱不均。建議添加肋板、輪輻等支撐結構以減小壁厚，采用填充等優化零件。例打印3D打印機顯示操作屏外殼，加肋板減小壁厚前后，不管是整體變形還是表面紋理粗糙程度都明顯優化。

圖6　操作屏外殼優化前后

4　結論

打印尺寸誤差是影響3D打印零件投入實際應用的關鍵性因素，通過FDM類型打印機打印螺紋連接件的尺寸收縮實驗，分析了不同部位誤差及分散范圍差異的原因，提出改進這種打印零件尺寸收縮缺陷的措施以達到零件理論尺寸實現應用的目的，以及不同零件不同結構部位進行3D打印時應注意的問題。另幾點實際操作遇到的工藝問題及對這些問題提出建議，希望能給更多的人帶來思索。

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(編輯李秀敏)

FDM 3D Printing Dimension Error and Its Compensation Method Research

DONG Xiu-li，YIN De-qiang，FANG Hui，ZHANG Wen-jun

(College of Manufacturing Science and Engineering,Sichuan University, Chengdu 610000,China)

Taking the dimension error of the fused deposition molding of 3D printing parts, which is caused by the state of fluctuation of the print material, as the research's object, this paper takes the threaded connecting joints as the experimental instances, and analyzes the parametric modifications of the different printing positions which are caused by the heat bilges cold shrink of the printing materials. According to the comparison and analysis on the experimental data, the improvement of the accuracy of the 3D printing is put forward. Besides, some of the technical problems in the using of the fused deposition molding of 3D printing machine are described and analyzed. And the corresponding technical application advice is raised as well.

3D printing technology; dimension error; shrinkage

1001-2265(2016)08-0039-03

10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.08.011

2016-02-25；

2016-03-26

國家自然科學基金資助(51175356)；四川省科技支撐計劃資助(2014GZ0114)

董秀麗(1990—)，女，山東菏澤人，四川大學碩士研究生，研究方向為增材制造技術及其應用，(E-mail)1316286755@qq.com；通訊作者：尹德強(1982—)，男，山東日照人，四川大學講師，博士，研究方向為數值計算在先進制造裝備中的應用，(E-mai)171458823@qq.com。

TH162；TG506

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