熔融沉積成型3D打印精度影響因素的實驗研究

胡茂芹， 王玫， 王小潔， 劉羽歆， 李佳， 張杉杉

（四川大學制造科學與工程學院，成都 610000）

0 引言

對于金屬機械零件，無論是傳動件、聯接件或其他類型的零件，通常采取車、銑、鏜、鉆、鑄等方法加工制造；而對于非金屬零件，一般采用模具塑壓成型[1-2]。這些傳統的制造方法能滿足一般要求下的加工需求，然而對于一些結構復雜的定制件，尤其是科研環境下有特定要求如不導電、不導磁、避光等的零件，常常需要由非金屬材料制作其實驗設備或零件，此時采用傳統的制造方法不僅費時、費工、難度大，而且加工成本高[3]，導致了零件的研制周期長、成本高。3D打印技術具有個性化制造的典型特征，在復雜單件零件的制造方面具有相對優勢,已經成為了目前最有發展前景的快速成型技術之一。然而，3D打印還處于發展初期階段，技術相對不夠成熟，其技術應用不僅受工藝參數的影響[4]，受材料特性影響也較大。本文通過實驗研究，對熔融沉積成型（Fused Deposition Modeling，FDM）3D打印非金屬材料零件的精度影響因素進行了研究。

1 實驗用FDM3D打印機

根據成型原理的不同，目前市面上3D打印機主要可分為光固化（SLA）3D打印機、熔融沉積（FDM）3D打印機以及選擇性激光燒結（SLS）3D打印機等[5]。其中，光固化3D打印存在著操作不便、耗材成本過高、制成品穩定性較差等缺點；選擇性激光打印雖然能打印金屬材料以及多種熱塑性材料，但其設備體積大、價格也十分昂貴[6-7]。相比之下，FDM3D打印具有設備體積小、成本低、操作簡便等優點，其應用也最為廣泛，已被成功用于醫療、教育、建筑、工業模型等領域。FDM3D打印的成型原理是加熱打印材料至熔融狀，噴嘴按照既定的軌跡運動，使打印材料在一定的輪廓形狀內一層層堆積，最終冷卻凝固形成打印成品[8]。

如圖1所示，是本次實驗主要用到的3D打印機。該3D打印機由本團隊自研自制，打印原理為熔融沉積（FDM）成型，其X、Y軸采用同步帶加光桿傳動，Z軸采用絲桿加光桿傳動；各軸均選用42步進電機驅動；上位切片軟件為Cura；打印材料一般選用PLA、ABS等熱塑性材料。

為了更具代表性，本次選擇了用PLA耗材分別打印螺紋聯接件和行星輪系，以此初步探索影響3D打印零件精度的因素。

2 螺紋聯接件3D打印精度影響因素分析

圖1 實驗用3D打印機

螺紋副是最典型、最常見的機械聯接形式，其精度主要表現在螺紋牙型、螺桿直線度、螺桿圓度等方面。通過3D打印制造出一批（60件）、桿長40 mm的M8螺紋副，并考察其打印精度，如圖2所示。打印制造出的螺紋副均能聯接使用，為了進一步考察其精度，對螺桿長度L、外徑D進行了測量，加測量結果如表1所示。另外，打印成型的螺紋圓周存在明顯“未封閉”的形狀誤差（如圖2所示），分別測量距螺紋頂部0 mm、15 mm、30 mm處的“未封閉”誤差情況s1、s2、s3，并計算其平均值sΔ，如表1、表2所示。

圖2 螺紋聯接件3D打印實物及誤差示意

表1 螺紋聯接件3D打印螺桿長度和外徑測量結果 mm

表2 螺紋聯接件3D打印未封閉誤差測量結果 mm

觀察長度和外徑測量結果的分布，分析其誤差的產生并不是隨機的，而屬于具有規律的系統誤差,即所有長度和外徑測量值都小于預設值。筆者認為出現這一結果的可能原因如下：FDM3D打印的打印成型利用了材料的熱塑性，溫度的變化使材料由固態到熔融態再到固態，打印材料的物理狀態變化必然對最終成型零件的精度產生某種影響，從而導致打印的實際尺寸小于預設尺寸。然而，目前的FDM3D打印在成型過程中只考慮了零件的幾何特性，而沒有考慮材料的熱特性對零件成型特征的影響。

為了減小螺桿的長度和外徑誤差，就需要考慮材料的熱特性，材料的熱脹冷縮使得螺桿的長度和外徑普遍偏小。為此，筆者提出采用尺寸預補償的方法進行改進，即根據標準誤差大小，在原設定尺寸基礎上加0.1 mm，打印出60個桿長40.1 mm的M8.1螺桿，并測量其長度、外徑和未封閉誤差，以作初步探索和驗證，其測量結果如表3、表4所示。

由圖3、圖4可知，經過尺寸預補償后，打印出的螺桿長度、外徑尺寸明顯較預補償前更接近標準尺寸，誤差明顯降低，故可以通過上位軟件對零件尺寸進行預先補償，從而提高打印精度。

表3 尺寸預補償后的螺桿長度和外徑分布 mm

表4 尺寸預補償后未封閉誤差測量結果 mm

圖3 對零件尺寸預補償

對比表2和表4可知，螺紋圓周“未封閉”的輪廓誤差分散范圍很小，其誤差最大值與最小值不超過0.1 mm，且經補償后該誤差仍然存在，并未呈明顯減小的趨勢。分析其產生的可能原因如下：

圖4 對零件尺寸預補償前后螺桿外徑對比

1）3D打印是通過噴嘴的運動形成零件的輪廓，而螺桿的外徑小，打印過程中電動機在短時間內不停加減速、變向，驅動噴嘴在小范圍內速度和方向的不斷改變。由于電動機性能的限制，導致噴嘴難以作精確的封閉圓周動作。2）3D打印機轉配精度不足，導致圓周運動的不準確性。

3 行星輪系3D打印精度分析

3.1 光固化成型技術與FDM技術3D打印精度對比

目前應用最廣泛的傳動形式是齒輪傳動。行星輪系傳動由太陽齒輪、行星齒輪、中心輪、行星架組成，是齒輪傳動的一種特殊形式。對齒輪精度的考察集中體現在齒輪公法線、齒形、分度圓與齒輪內孔同軸度等方面。

為了進行相應的實驗研究，設計了一套行星輪系，其具體參數為：輸入輸出比1:1；太陽齒輪模數1 mm，齒數72；行星齒輪模數1 mm，齒數20；中心齒輪模數1 mm，齒數30。

FDM3D打印機打印成型行星齒輪、中心齒輪及行星架，同時，利用光固化技術進行太陽齒輪的3D打印成型，如圖5所示。

為考察齒輪成型的精度，對太陽齒輪和中心齒輪的公法線長度進行測量并做對比，現取部分測量值列于表5。

由圖6可知，在標準為10.75 mm的情況下，光固化3D打印成型的齒輪精度較FDM成型高，究其原因主要為：1）光固化與FDM的成型原理不同，材料熱特性對其成型零件精度的影響較?。?）光固化3D打印機在打印過程中運動簡單，故由相對運動而引起誤差較小[9]；3）光固化在成型過程中，其打印件并不與打印設備的其他部件直接接觸，避免了零件與外部件的相對運動而影響成型精度。

圖5 行星輪系

表5 行星輪公法線長度誤差測量結果 mm

3.2 同軸度精度分析

在3.1節的打印產品中，隨機抽取部分行星齒輪或中心齒輪，對其分度圓與內孔同軸度進行測量，測量值如表6所示。

圖6 行星齒輪和太陽齒輪公法線長度對比

裝配形成行星輪系后，齒輪分度圓與內孔同軸度誤差會導致了傳動的不平穩，齒輪與傳動軸不能很好地配合，轉矩傳動能力差[10]。但由于3D打印對零件內部的填充方式是呈蜂窩狀或網格狀填充，所以不能對打印出來的齒輪進行二次加工。為了改善分度圓與內孔的同軸度，提高傳動精度，我們采取了傳統加工手段與3D打印技術相結合的方法：在齒輪內孔鑲嵌金屬毛坯，利用齒圈外圓定位，反過來重新加工齒輪內孔，如圖7所示。這樣，不僅有3D打印快速成型的優勢，還保證了分度圓與內孔的同軸度。經過改進后，齒輪分度圓與內孔同軸度進行測量的結果如表6所示。由圖8可知，經改進后的齒輪分度圓與內孔的同軸精度明顯提高，

表6 改進前后同軸度測量結果mm

圖7 齒輪內孔鑲嵌金屬

4 結論

圖8 改進前后行星/中心齒輪同軸度對比

3D打印對于各領域而言是一種極為新興的技術，而目前該技術應用還處于初始階段，還有很多技術問題有待解決，比如打印效率、打印成本、產品性能等。之后隨著科技技術及材料的不斷發展，3D打印技術也會得到持續的發展與進步，應用范圍也會不斷擴大[11]。本文面向FDM3D打印工藝，對非金屬材料的打印精度進行了實驗研究，雖然還未考慮3D打印設備結構設計及控制系統性能對成型零件精度的影響，但能得到以下結論：

1）FDM3D打印在成型零件時，材料的熱特性對打印精度有較大影響，表現為打印出的實際尺寸小于預設尺寸。所以，上位軟件在識別零件幾何特征的同時，應該考慮打印材料的物理特性。本文通過使用在打印前對幾何圖形進行尺寸預補償的方法，得出了具有更高精度的打印模型，實驗證明，該方法能夠明顯提升模型外觀尺寸的打印精度。但是，對于非材料物理特性導致的誤差，比如文中的小螺紋圓周“未封閉”的輪廓誤差，尺寸預補償的方法沒有明顯的改進效果，要達到這一目的，需要進一步提升3D打印機轉配精度和電動機性能。2）由光固化成型技術與FDM型技術行星輪系3D打印精度對比試驗可知，3D打印的方式對成型零件的精度有明顯影響，需要進一步探索。3）3D打印作為一種新型的制造手段，同時也提供了零件結構設計的新方法。文中將3D打印與傳統加工相結合的零件結構設計方法用于行星/中心齒輪打印，明顯提升了打印精度。故探索3D打印與傳統加工相結合的零件結構設計方法，也是3D打印的發展方向之一。