3D 打印中FDM 技術的應用及成型件精度分析

閆昌紅

（山西鐵道職業技術學院 機電工程系，山西太原 030013）

0 前言

近些年來，隨著加工技術的發展，與減材制造技術相對，出現了一種的新的加工技術--增材制造技術。3D 打印技術是增材制造技術中的代表，該加工方法具有空間模型造型新穎，加工技術相對傳統減材加工技術簡易，單件產品加工周期短，成本相對低廉等優勢。相對于傳統制造業加工技術，3D 打印技術是依據加法原則，分層制造原理進行加工，將三維模型轉化成二維輪廓信息，快速加工的方法。首先，應用三維設計軟件設計成品三維模型，然后應用分層切片軟件，對三維模型進行切片處理，生成加工文件，將文件傳輸到3D 打印設備，即可以加工出產品。

產品質量與其加工精度密不可分，3D 打印產品精度與多種因素有關，目前，3D 打印技術中有SLA 技術、SLS 技術、PDM 技術、LOM 技術，本文著重探究分析熔融成型（FDM）法在前期數據處理、成型加工過程、后處理階段其參數誤差對產品精度的影響。

1 3D 打印中FDM 加工技術及加工程序代碼的生成

1.1 FDM 加工技術及其特點

FDM加工技術是指熔融成型法，該方法應用低熔點絲狀材料為原料，如PLA 可降解材料，利用電阻加熱的方法，將PLA 材料加熱至微高于其熔化溫度。3D 打印設備在模型程序代碼的控制下，噴嘴噴頭在二維平面內運動，將熔融的材料涂覆在工作臺上，待該層材料冷卻后形成一層截面，待一層成型后，噴頭按照程序指令上移一層，進行下一層材料的噴涂，通過逐層累加的方式，堆積形成了模型的成品工件[3]。

該種技術污染小，PLA 材料可以降解，可用于小中型工藝品、工件品的成型。選用ABS、PLA 固體類絲狀成型材料，可用于塑料產品、蠟模、樣件等模型。

1.2 FDM 技術中加工程序代碼的生成

（1）應用三維設計軟件UG，建立模型。在UG軟件建模環境中，應用相關的軟件操作命令，繪制模型圖，然后生成為stl 格式的文件。

（2）應用切片軟件，生成相應的加工程序文件。

在市場上，有兩種常用切片軟件，Cura 和Flash 軟件。應用Cura 軟件，可以進行切片處理，生成Gcode 格式加工文件。應用Flash 軟件，進行切片處理，生成gx 格式加工文件。

圖1 加工過程

圖2 切片過程

2 成型件精度分析

FDM打印過程中前期數據處理、成型加工過程、后處理階段其參數等因素會直接影響產品的質量和精度。

2.1 前期數據處理中的誤差

2.1.1 STL 格式化引起的誤差

在應用UG 軟件建模完成之后，需要生成STL格式文件，其實質是用大量微小的空間三角形面來無限逼近還原實體模型，此三角形的數量將會影響實體的表面精度，數量越多，其精度越高。三角形數量過多，文件內存大，會增加數據處理時間，應在精度要求內，選擇適量的三角形。在用UG建模軟件輸出STL 格式文件時，需要確定精度，即模擬原模型允許誤差。在此過程中，模型中其平面，不產生誤差，模型中其曲面，會產生模擬誤差，影響到加工精度。

為了提升加工精度，消除在切片中由STL 格式造成的誤差，可采用CAD 直接切片法。

2.1.2 模型分層厚度對成品精度的影響

在對模型進行分層處理的過程中會產生一定的誤差，這種誤差屬于原理性誤差。在用切片軟件如Cura 對STL 文件進行切片時，設定好成型方向，分層的厚度，選用的噴頭等參數時，就可以對模型進行分層處理了。分層后得到一組垂直于成型方向等層厚的截面，此截面與模型的交線即形成了該截面的輪廓線，作為成型加工過程中的數據。因為層與層之間有微量的距離，破壞了模型表面的連續性，會丟失模型的部分信息，影響到其尺寸精度和表面精度[4]。相同厚度條件下，分層層數越多，其成品精度相對越高，同時會導致打印加工時間延長。

2.2 成型過程中加工誤差

3D 打印加工設備其結構、構件運動過程中會存在一定的原始誤差，為提升加工品的精度，需提高設備自身的精度。

2.2.1 工作臺引起的誤差

工作臺在絲杠的帶動下，上下移動完成成型加工。工作臺的運動誤差和直線度誤差會影響成型件的分層精度，導致成型件在Z 方向上的尺寸誤差，位置、形狀、表面精度誤差。工作臺是否水平會影響到其成型品底座的平面度，同時工作臺是否水平還會影響到成型品底座與工作臺的粘結是否牢固。如果成型品底座與平臺粘結不牢固，工作平臺在運動過程中，會影響到成型品微量移動，影響到成型品的精度，甚至造成工件報廢。工作平臺調平過程是一項技術、經驗活。在調平過程中，經多次實驗檢驗，采用二次或多次調平方式[1]，微量調整調平螺母，其水平性較好。

2.2.2 同步帶變形引起噴嘴定位誤差

步進電動機帶動同步齒形帶運動，從而帶動3D 打印機噴頭水平方向移動。在打印機使用時間較長后，同步齒形帶可能會微量的變形，影響噴嘴的定位精度。可采用位置補償的方式，提升其定位精度。

2.2.3 電機部分結構引起噴嘴定位誤差

3D 打印機噴頭運動系統采用的是步進電動機開環控制系統，噴頭移動過程中有一定的慣性，其時間運動定位尺寸略大于其設計尺寸，造成微量尺寸誤差，同時，噴頭在運動過程中是一個加減速過程，在兩邊的運動速度會小于中間移動速度，會造成加工品材料固化不均勻，邊緣的固化程度高于中間部分。

2.2.4 擠料速度與掃描速度誤差

在3D 打印增材加工制造中，噴頭的溫度參數值選取很關鍵，會影響到PLA 材料吐絲的粗細、材料冷卻速度和擠料速度，進一步影響到加工品質量[2]。在噴嘴類型一致相同移動速度的條件下，其擠料速度太高，在工件的表面和側面會出現材料溢出，影響表面精度，導致支撐結構與工件不易分離；若擠料速度過低，就會造成工件材料缺失的現象。因此，選擇合適的擠料速度，有助于提高工件的精度，其輪廓線更清晰，其支撐結構與工件易于分離。

2.2.5 加工材料對加工質量的影響

PLA 材料可降解，在剛拆封后使用，材料柔韌性優良，在環境中自然放置一段時間后，材料會自然風化。風化的材料，會影響到加工品的質量。在加工過程中，注意材料選用及保存。

2.3 后處理階段產生的誤差

在工件固化成型后，需要去除其支撐部分，進行拋光、打磨和表面處理等工序，此階段稱為后處理。后處理階段對工件精度的影響有三種：

（1）在去除支撐時，可能會刮傷工件表面，影響其表面粗糙度。在切片支撐設計時，選擇有效簡單的支撐結構，起到支撐作用又方便去除，同時可節省后處理時間。

（2）工件固化成型后，零件的內部會存在一定的內應力，在溫度、濕度外部環境的影響下，工件會產生一定的變形。消除工件中的內應力，可提高零件的成型精度。

（3）成型后的零件表面存在階梯紋、尺寸誤差，需要對加工件打磨、修補、拋光等處理。在此過程中，可能會對工件的尺寸和表面質量造成破壞，產生誤差。