熔融沉积成型工艺的精度分析与研究

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熔融沉积成型工艺的精度分析与研究

熔融沉积成型工艺的精度分析与研究
李星云①李众立②李理②
(①西南科技大学制造科学与工程学院，四川 绵阳 621010;
②西南科技大学计算机科学与技术学院，四川 绵阳 621010)

　　摘要：目前，熔融沉积成型(FDM)工艺受到了许多领域的关注，但由于FDM是通过逐层累加的方式来构造实体，所以与传统切削加工相比，成型件的精度会有所不同。以Stratasys公司生产的Fortus360mc快速成型机为打印设备，以螺栓为模型，通过比较不同的三维图形文件的精度与成型方向的布局，并综合成型件的测量数据与FDM工艺的特点，对不同规格螺栓成型件的尺寸误差、形位误差和表面粗糙度进行分析，总结出影响精度的主要因素。为进一步了解FDM工艺和提高成型件精度提供有效参考。
　　关键词：熔融沉积成型;Fortus360mc;精度分析;成型方向

　　熔融沉积成型[1](Fused deposition modeling，简称FDM)属于快速成型(Rapid prototyping，简称RP)技术中的1种工艺形式，其主要运用于塑料件、铸造用蜡模、样件的成型[2-3]。采用FDM打印出的成型件，从强度上看，以ABS材料为例，其强度可以达到ABS材料强度的80%[4]，但从精度上看，仍然存在尺寸与形位精度不高以及表面粗糙的问题。针对这些问题，本文通过实验的方法，结合FDM工艺的成型过程，总结出影响精度的主要因素，从而进一步掌握改善成型件精度的方法。

　　1FDM工艺介绍
　　1.1快速成型机介绍

　　打印设备采用的是Stratasys公司生产的型号为Fortus360mc的快速成型机，如图1所示。该设备的模型材料采用的是热塑性材料ABS-M30，支撑材料则根据不同的去除方式而有不同的选择。该快速成型机的打印尺寸范围为：355 mm×254 mm×254 mm，并根据不同的喷嘴口径，分层高度有0.127 mm、0.178 mm、0.245 mm、0.330 mm这4种。Fortus360mc快速成型机的结构简图如图2所示。

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　　1.2打印的主要过程

　　首先通过三维造型软件(如Pro/E、UG等)或逆向工程软件(Geomagic Studio、Imageware等)得到三维模型，并保存为STL文件格式，其次在设备配置的专用软件Insight中打开STL文件，软件会通过不同的分层高度将三维模型分割成若干个二维层状模型，然后将处理好的模型数据传输到Fortus360mc中进行打印，最后去除支撑，并进行打磨、上色等后期处理，最终完成所设计的模型。

　　1.3设计支撑的目的与去除方法

　　在成型件打印的过程中，若其轮廓发生较大变化，导致已打印完成的上一层轮廓不能给当前打印的轮廓提供充分的定位和支撑，那么就需要设计辅助结构以保证成型件的顺利打印，这种结构叫做支撑结构(如图2所示)。

　　FDM工艺有2种去除支撑的方法：剥离法和水溶法。剥离法是指需要人工去除支撑的方法，所以去除过程相对复杂;水溶法是指选择可以分解于碱性水溶剂的材料作为支撑的方法，所以去除过程相对简单。

　　1.4Insight软件提供的支撑模式

　　针对不同的模型轮廓与成型方向的布局，Insight软件共提供了5种支撑模式，分别为Smart，Sparse，Basic，Surround和Break-away。其中Basic模式适用于大部分的模型;Sparse模式主要适用于需要较多支撑的模型;Smart模式主要适用于支撑区域较大的模型;Surround模式主要适用于模型轮廓变化较大的模型，但由于要将成型件全部包裹在支撑结构里，所以只适用于水溶性支撑材料;Break-away模式只适用于非水溶性支撑材料。

　　1.5打印工作的主要数据

　　打印工作的主要数据包括材料消耗、成型时间和分层层数。
　　(1)材料消耗主要包括打印消耗和切换消耗。打印消耗是指打印在成型件或支撑结构上所消耗的材料。切换消耗是指当切换打印材料时，为了保证打印精度，设备会将上次遗留在喷嘴中的材料挤出。因此不停地切换材料会造成大量的材料消耗。

　　(2)成型时间主要包括工作打印时间与材料切换时间。工作打印时间是指打印成型件或者支撑结构所消耗的时间。材料切换时间是指当切换打印材料时，材料在熔腔中加热至熔融状态所消耗的时间。由于当使用其中一种材料时，另一种材料会降温到220 ℃左右，在使用时才会升到熔融温度。因此不停地切换材料会大量的增加成型时间。

　　(3)分层层数主要指将三维模型分割成二维层状模型的个数。

　　2三维图形文件的精度设置与成型方向的布局选择

　　为了保证成型件的质量，要根据模型的轮廓合理地设置三维图形文件的精度和适当地选择成型方向的布局。

　　2.1三维图形文件的精度设置

　　三维图形文件选择的是STL文件格式，它是一种为快速成型制造技术服务的一种文件格式[5]。STL文件有2种类型：文本文件(ASCII格式)和二进制文件(BINARY格式)。本文采用的是二进制文件。

　　以M8×25的螺栓为打印模型，在STL文件中对角度控制和弦高分别设置不同的精度，然后对成型效果进行比较，以选择合适的精度。

　　设置角度控制为1.0，在不同弦高下的打印数据如表1所示。

　　当角度控制分别取0.75、0.5和0时，在不同弦高下的三角面片数量与取1.0时相比相差很小(1.5‰左右)，所以设置角度控制的值为1.0。不同弦高下的成型效果如图3所示。

　　通过表1可以看出，不同弦高下的材料消耗与成型时间都相差较小，但通过对图3中成型效果进行比较，明显可以看出，当弦高小于0.2时，成型效果较好。再对弦高小于0.2的成型件的每个特征尺寸进行测量，得到当弦高小于0.05时，弦高的值对各个特征的尺寸没有影响。因此在STL文件格式的精度设置中，角度控制取1.0，弦高取0.0125。

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　　2.2成型方向的布局选择

　　根据螺栓轴线垂直或者平行于工作台的不同情况，成型方向的布局主要有3种[6](如图4所示)。其中实体部分为成型件，细线部分为支撑结构。

　　以M8×25的螺栓为打印模型，根据模型轮廓与成型方向的布局选择不同的支撑模式。在布局1和布局2中，由于每两个螺纹之间都需要支撑，所以选择适用于较多支撑的Sparse模式，布局3选择Basic模式。不同布局下的打印数据如表2所示，不同布局下的成型效果如图5所示。

　　通过表2可以看出，布局3无论是材料消耗还是成型时间都小于布局1和布局2。但是通过对图5中螺纹的成型效果进行比较可以看出，采用布局1和布局2打印的效果明显要好于布局3，为了提高成型件的精度，不选择布局3的方式进行打印。再对采用布局1与布局2打印出的成型件进行比较，得到其成型效果基本相同。因此选择材料消耗和成型时间都相对较少的布局1来进行模型的打印。

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　　3成型件的精度分析

　　通过对不同规格的螺栓成型件进行尺寸误差、形位误差以及表面粗糙度产生的原因进行分析，从而总结出影响成型件精度的主要因素。

　　3.1尺寸误差的分析

　　3.1.1成型件尺寸的测量结果

　　在尺寸误差的分析中，对螺栓[7]成型件测量的特征如图6所示。其中d为螺纹的大径，ds为螺杆无螺纹处的直径，L为螺栓总长度，K为头部厚度，S为头部六边形的对边长度。

　　为了减少打印过程中的随机误差与测量误差，因此测量的实际尺寸为3个成型件测量值的平均值。测量数据如表3、表4所示。

　　根据工作头与工作台不同的移动方向，不同特征的尺寸误差受到水平方向或者垂直方向的影响[8]。

　　3.1.2水平方向(XY平面)的误差分析

　　根据不同特征的成型方式可知：φd、φds与S的尺寸误差主要受到水平方向的影响，其原因主要有2种，分别为工作头移动误差和螺纹顶端误差。

　　(1)工作头移动误差是指控制工作头水平运动的两条同步齿形带在移动时产生的误差，因此在打印螺杆无螺纹处以及螺栓头部时，会产生尺寸误差。但由于在打印层状模型的过程中，首先打印的是层状模型的轮廓，然后再进行内部填充。因此，在进行内部填充时，不会对模型轮廓的尺寸造成影响。从表3可以看出：φds、S的尺寸误差随着螺栓规格的增大产生微小的波动。

　　(2)螺纹顶端误差是指在打印螺纹特征过程中，当螺纹顶端的大小小于挤出材料的直径而造成无法打印完整螺纹产生的尺寸误差。如图7所示，其中黑色区域为打印缺失的部分。螺纹螺距越大，螺纹打印的完整度也就越高，尺寸误差也就越小。从表3可以看出，φd的尺寸误差随着螺栓规格的变大而减小。

　　3.1.3垂直方向(Z轴)的误差分析

　　根据不同特征的成型方式可知：L与K的尺寸误差主要受到垂直方向的影响，其原因主要有3种，分别为工作台移动误差、分层误差和材料凝固误差。

　　(1)工作台移动误差是指控制工作台下降的丝杠在移动的过程中产生的误差。

　　(2)分层误差根据不同的情况主要分为两种，一种为顶层分层误差，一种为特征分层误差。

　　顶层分层误差：由于模型的高度一般不会等于分层高度的整数倍，为了保证成型质量，Insight仍然会对不满1个分层高度的最后1层设置1个层状模型。通过这个层状模型的设置，成型件的高度会有1个小于分层高度的误差。从表4中L的测量数据可以看出：不同规格的螺栓顶层分层误差会随着设计尺寸的不同而不同。

　　特征分层误差：如图8所示，螺栓头部特征和螺杆特征相互连接。由于在一般情况下，先打印的特征高度一般不会等于分层高度的整数倍，因此在打印图8中的斜线部分的层状模型时，Insight会根据最佳的成型效果从两个不同特征的轮廓中选择1个作为当前层状模型的轮廓，所以头部厚度与螺杆长度会因此产生误差。从表4可以看出，由于不同轮廓的选择，M10与其他规格的螺栓相比，K的尺寸误差有很大的不同。

　　(3)材料凝固误差
　　在打印过程中，材料要经过固体—熔体—固体的2次相变过程，所以在冷却成固体的过程中，材料会因为应力变形而产生尺寸误差[9]。

　　由于工作台移动误差与材料凝固误差无法避免，且随着打印模型高度的增加而增加;分层误差由于其产生的原因，误差范围不会随着模型尺寸而变化。

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　　3.2形位误差的分析

　　(1)圆柱度误差
　　由于控制工作头运动的同步齿形带是连接在伺服电动机上的，而伺服电动机的转动存在步进角，所以圆柱体的横切面轮廓为无限近似于圆的多边形;而且在打印层状模型的轮廓时，一般不会与已打印的上一层轮廓完全对齐。所以综合以上2种因素造成了圆柱度误差。

　　(2)平面度误差
　　由于层状模型上不同位置的材料凝固误差不会完全相同，因此在打印完成型件后，其顶端平面会因为每层层状模型的误差累积而造成平面起伏，从而产生平面度误差。

　　3.3表面粗糙度的分析

　　影响成型件表面粗糙度的主要因素有两种，一种是由于分层高度的存在，所以无法避免出现台阶现象而产生表面粗糙;另一种是由于在可视面的打印过程中，首先打印的是可视面的轮廓，然后再进行可视面的内部填充，在此过程中，由于受到材料挤出形状的影响，因此无法避免产生填充缝隙的现象而造成表面粗糙。

　　通过对成型件表面粗糙度分析可知，分层高度越大，成型件表面产生的台阶高度也就越大，表面粗糙度值也就越大;分层高度越小，成型件表面产生的台阶高度也就越小，表面粗糙度值也就越小，但所需打印时间就会越长[10]。

　　4结语

　　文章以Fortus360mc的快速成型机为打印设备，通过对5种不同规格的螺栓成型件的尺寸误差、形位误差和表面粗糙度进行分析可以得到:不同特征因为不同因素的影响，其精度也各不相同，但是水平方向上的特征精度要高于垂直方向上的特征精度。因此在选择成型方向的布局时，应该将重要特征或者平面平行于工作台，并且可以根据一些误差产生的因素与规律，调整相关尺寸和参数，不仅可以提高成型件的精度和工作效率，而且大大降低了打印的成本。

参考文献
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　　[2]卢秉恒,李涤尘.增材制造(3D打印)技术发展[J].机械制造与自动化,2013,42(4):1-4.
　　[3]王雪莹.3D打印技术与产业的发展及前景分析[J].中国高新技术企业,2012(26):3-5.
　　[4]侯清泉,刘春生.FDM快速成型机加工工艺方法研究[J].制造技术与机床,2008(1):95-97.
　　[5]余东满,李晓静,王笛.熔融沉积快速成型工艺过程分析及应用[J].机械设计与制造,2011(8):65-67.
　　[6]董海涛.熔融沉积快速成型的工艺分析[J].制造技术与机床,2013(10):96-98.
　　[7]成大先.机械设计手册[M].5版.北京：化学工业出版社, 2008.
　　[8]李宝强,方沂.熔融沉积快速成型工艺精度分析与研究[J].福建轻纺,2013(11):41-44.
　　[9]陈雪芳,张义平.控制FDM成型制件误差的方法研究[J].汽车制造技术, 2011(11):39-41.
　　[10]罗晋,叶春生,黄树槐.FDM系统的重要工艺参数及其控制技术研究[J].锻压装备与制造技术, 2005(6):77-80.