FDM工藝提高表面質(zhì)量的研究

1、華北電力大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文提高FDM工藝表面質(zhì)量的方法研究姓名：張仲杰申請學(xué)位級別：學(xué)士專業(yè)：機械制造及其自動化指導(dǎo)教師：王進峰2015/06/03提高FDM工藝表面質(zhì)量的方法研究摘要：FDM工藝是現(xiàn)在工業(yè)中常用的一種技術(shù)手段，但是通常來說難以保證高的成型精度，這也是限制其廣泛應(yīng)用的一個重要的因素。本文著重分析了在FDM工藝過程中各種因素對于表面質(zhì)量的影響，并且給出了相應(yīng)的解決思路和方法，希望對FDM工藝的發(fā)展和改進提供一些幫助。關(guān)鍵詞：快速成型、FDM工藝、成型精度、表面質(zhì)量1.1 課題背景目前我校所使用的快速成型機是熔融沉積成型的3D打印機，在使用的過程中，可以明顯感覺到加工精度和表面質(zhì)量具

2、有很大的提升空間，結(jié)合目前常用的3D打印機的現(xiàn)狀，提高成型件的成型精度和表面質(zhì)量是很有價值的。對于今后3D打印機的改進也能夠提供合理的建議和幫助。1.2 FDM工藝的發(fā)展隨著制造業(yè)的不斷進步，快速制造，快速成型的概念被提出并且在近年來飛快的發(fā)展，逐漸形成了全新的制造方式：快速原型技術(shù)，并且研究出了多種多樣的成型工藝，并且具備各自的優(yōu)點。在眾多的成型工藝中，F(xiàn)DM以其設(shè)備小巧，價格低廉，應(yīng)用材料廣泛，可直接被制造成工業(yè)產(chǎn)品等優(yōu)點，占據(jù)了快速成型的主要市場，在企業(yè)設(shè)計中得到了廣泛的應(yīng)用。然而在實際的生產(chǎn)中，F(xiàn)DM工藝卻一直難以做到又快又好的打印出零件，成型精度和表面質(zhì)量一直是困擾FDM工藝進一步發(fā)

3、展和更大范圍應(yīng)用的一個十分重要的因素。如何提高成型件的表面質(zhì)量和打印精度成為今年來研究3D打印的熱門課題。2.1 FDM技術(shù)的原理在RP工藝中，任何一個三維零件都可以看作是許多等厚度的二維平面輪廓沿著某一坐標(biāo)方向疊加而成。用戶在計算機上建構(gòu)出產(chǎn)品三維設(shè)計模型，然后將三維模型進行分層切片，得到各層截面的輪廓，按照這些輪廓，刀具（噴頭）噴射源選擇性地噴射一層層的支撐材料或者是零件材料，形成各截面輪廓并逐步堆疊成三維實體，其完整過程如下圖所示：FDM快速原型機構(gòu)如下圖所示： 噴頭在計算機的控制下按照每一層的運動軌跡行走，用于成型的絲材通過送絲機構(gòu)送到噴頭處，受熱后變成熔融狀態(tài)，擠出到平臺上，并通過風(fēng)

4、扇的快速冷卻使之凝固成型。完成一層的截面后噴頭提升一個層厚的高度，進行下一層的打印，以此類推完成整個零件的加工。2.2影響FDM工藝精度的因素及其解決方法思路2.2.1三維軟件轉(zhuǎn)化精度在模型從三維實體模型到STL文件的轉(zhuǎn)化過程中，涉及到用三角形面片逼近實體輪廓表面的轉(zhuǎn)換過程，對于許多曲面來說，以直代曲不可避免的會產(chǎn)生弦高差，如圖所示：在這個模型轉(zhuǎn)換時，系統(tǒng)默認(rèn)的弦高是0.49，而我們FDM成型機器的精度一般都是在0.1毫米，所以這個精度的損失是可以通過設(shè)定來改變的，如下圖所示：因為打印機的精度限制，所以弦高的偏差控制設(shè)定為0.1即可，當(dāng)然如果打印機的精度比較高，也可根據(jù)具體的機器設(shè)定具體的數(shù)值

5、。2.2.2 分層過程中導(dǎo)致形狀尺寸偏差層厚是指將三維模型進行分層切片時層與層之間的高度。分層厚度較大時,原型表面會有明顯的臺階,影響原型的表面質(zhì)量和精度，分層厚度較小時,原型的精度較高,但需要加工的層數(shù)增多,成型時間也較長。層厚的理論值一般取零至噴嘴直徑之間的數(shù)值，但是為了保證工藝過程中上下兩層能粘結(jié)緊固，一般要求層厚小于噴嘴的直徑。在實際使用過程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)層厚接近噴嘴直徑時，由于噴嘴對絲材無擠壓作用，經(jīng)常導(dǎo)致工件的強度很低，要能順利成型并且保證一定的強度和精度，層厚的最佳取值為噴嘴直徑的一半。此外，零件的擺放角度也會對零件的精度產(chǎn)生比較明顯的影響，如下圖所示：從上面我們可以還可以直觀的看出

6、，在成型過程中，相同的三維模型在成型空間中的放置角度將對打印出來的實體模型表面質(zhì)量產(chǎn)生極大的影響，垂直方向的面成型效果最佳，角度變小，模型表面就會產(chǎn)生鋸齒效應(yīng)，而且角度越小鋸齒效應(yīng)越明顯，成型表面質(zhì)量就越差。因此就會出現(xiàn)相同的數(shù)字模型在成型后得到的零件表面質(zhì)量不相同。因此，若要獲得最佳的表面質(zhì)量，必須在對三維模型進行切片處理前先對模型的放置形式進行調(diào)整。對于外形較為簡單的三維數(shù)字模型，將表現(xiàn)產(chǎn)品外觀特征的主要表面調(diào)整為垂直于成型平臺的狀態(tài)。在零件較為復(fù)雜的情況下，選擇最能影響外觀特征的面垂直于成型平臺。對于無法將主要表面調(diào)整為垂直于成型平臺的情況下，盡量不要使其與成型平臺夾角過小而形成鋸齒狀表

7、面，從而增加了模型后期處理的難度?？傮w來說，F(xiàn)DM工藝成型精度垂直方向要比傾斜方向的精度高，到底如何安排也是要具體情況具體分析。2.2.3三維建模軟件的轉(zhuǎn)化能力由于不同的建模軟件的功能和主要的面向群體不同，雖然都能將三維實體導(dǎo)出STL、CLI等文件，但是不同的軟件確實有很大的差別，從大多數(shù)使用人員反饋的信息看，3DMAX，UG等軟件導(dǎo)出的效果就比PRO/E要好很多。因此，在選擇設(shè)計軟件是盡量采用比STL、CLI更高端的處理文件類型，解決軟件方面帶來的誤差。2.2.4 打印機的機械結(jié)構(gòu)在眾多的因素中，打印機本身的機械結(jié)構(gòu)和設(shè)計對打印件精度和表面質(zhì)量影響因素中最根本的因素之一。（1）、掛料件，一般

8、來說FDM工藝采用的都是ABS絲料，這種絲料是一盤一盤的使用，平時掛在掛料件上。掛料件的設(shè)計思路是要減少與料盤的摩擦，使送料更加順暢。一般來說要采用強度較好的材料制作，保證足夠的掛載能力?？梢圆捎脳l紋式設(shè)計，減少摩擦。（2）、送料管，送料管的主要作用是保護絲材，提供順暢的絲材運動甬道，防止絲材的變形和扭曲。因此送料管盡量采用3.3毫米優(yōu)質(zhì)加厚的管道并且縮短管道的長度，防止絲料在關(guān)內(nèi)的彎曲，同時回退料是減少延時，瞬間回退，如果設(shè)計成透明的管道還可以清楚的識別出打印絲材的顏色。老式的塑料管的掐口用的事銅，有些會有這種現(xiàn)象，仔細(xì)觀察會發(fā)現(xiàn)，有一點點運動，在回退料時都會有延時，延時超過0.05秒，都會

9、出現(xiàn)當(dāng)料沒完全回退到位，打印頭就開始移動，這樣物件與物件間，就會產(chǎn)生細(xì)絲連接，把塑料管的掐口換成全鋼的，增加對塑料管的固定強度，這樣瞬間回退時，塑料管不會與這個鋼的掐口有相對運動。（3）、噴頭和送料器，為了保證精確的送料可以采用送料器和噴頭分離式的設(shè)計，采用滾花送料齒輪配合高精度的步進電機，可以將精度控制在合理的范圍內(nèi)，如下圖所示：此外，噴頭的設(shè)計也是頗具考量，噴頭與送料器分離后采用合適可材料，減輕噴頭的質(zhì)量，從而減少噴頭的慣性，加快噴頭的移動速度，增強運動過程中的定位精度。（4）、噴嘴，拉絲現(xiàn)象一直是FDM成型過程中影響精度的一個難題，因為噴嘴內(nèi)空間很大，回退時只有料中心回退，而周圍的料繼續(xù)

10、向下走，所以有吐絲現(xiàn)象。這就導(dǎo)致物件與物件的間隙很近的話，比如1MM-50MM的空隙間，那兩個物件連接處有很多絲，導(dǎo)致表面質(zhì)量很差，很難看，事后需要用刀處理。因此在設(shè)計時可以在噴嘴的腔內(nèi)加一個小銅件，把這個小件一頭磨光為平頭，一頭磨光為內(nèi)錐角。平頭向內(nèi)，內(nèi)錐角向外安裝進去。這個小銅件在噴嘴內(nèi)可靈活上下運動，打印回退時，回退的料會把這個件一同向上拉，這樣在小銅件與噴嘴出口處的料也會一同向上拉，所以噴嘴出口沒有殘余料往下流。同時將噴頭的內(nèi)壁設(shè)計為錐形的光滑結(jié)構(gòu)，便于熔融材料的擠出，保證在迅速拔起時無殘留。（5）、其他，對于打印機來說，平衡性和減震是對于產(chǎn)品精度和質(zhì)量也有一定的影響，可以在機器的8個

11、角上安裝PVC軟膠角墊，不僅能保護機器，還能減震防滑，提高打印產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性，如下圖所示：2.2.5 打印機的電子控制系統(tǒng) 打印機的電子控制系統(tǒng)對于打印的許多因素都會有影響。（1）、溫度，ABS絲材之間的粘結(jié)是靠噴嘴擠出的高溫絲材所攜帶的熱能和表面勢能來驅(qū)動的，絲材在噴涂的過程中，同已經(jīng)噴好的周圍的絲材接觸時,由于高溫使相鄰的絲材在接觸界面上軟化,從而在絲材接觸面上發(fā)生相互擴散作用。絲材的粘結(jié)過程大致可以分為浸潤、擴散、均勻化三個過程，如下圖所示：由此我們可以看出，在絲材的噴涂過程中，溫度以及噴涂速度對于絲材之間的粘結(jié)性能會產(chǎn)生很大的影響，而粘結(jié)的性能又會對表面質(zhì)量造成直觀的影響。噴頭溫度決

12、定了材料的粘結(jié)性能、堆積性能。噴頭溫度太低，則材料粘度變大，擠絲速度變慢，這不僅加重了擠壓系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，甚至還會造成噴嘴堵塞，而且材料層間粘結(jié)程度不夠，還會引起層間剝離。而溫度太高，材料偏向于液態(tài)，粘性系數(shù)變小，流動性強，擠出過快，無法形成可精確控制的絲，制作時會出現(xiàn)前一層材料還未冷卻成形，后一層就加壓于其上，從而使得前一層材料坍塌和破壞。因此，噴頭溫度應(yīng)根據(jù)絲材的性質(zhì)控制在一定范圍內(nèi)，以保證擠出的絲呈熔融流動狀態(tài)。（2）、延遲時間，延遲時間包括出絲延遲時間和斷絲延遲時間。當(dāng)送絲機構(gòu)開始送絲時，噴嘴不會立即出絲而有一定的滯后,從送絲機構(gòu)開始送絲，到噴嘴開始出絲的這段時間叫做出絲延遲。同樣當(dāng)送絲機

13、構(gòu)停止送絲時，噴嘴也不會立即斷絲，從送絲機構(gòu)停止送絲，到噴嘴斷絲的這段時間叫做斷絲延遲。因為3D打印是一層一層打印的，每一層都是由封閉的輪廓組成，每一層的輪廓口存在起點和終點，這就要求噴頭的移動速度和絲材擠出速度在噴頭的起點和終點協(xié)調(diào)，否則會造成絲材的過剩或不足。因此，控制系統(tǒng)就要合理安排這個時間差，使得噴頭還未到達(dá)終點時,擠絲就應(yīng)該停止，在背壓的作用下，噴頭仍在噴料，直至噴頭到達(dá)終點剛好背壓消失，噴頭不再出絲；在噴頭到達(dá)起點之前，送絲機構(gòu)就要開始送絲，由于彈性滯后效應(yīng)此時噴頭并沒有出絲，而當(dāng)噴頭運動至起點位置時噴頭剛好開始吐絲。如果距起點距離很近了才送絲，那樣就可能造成噴頭到達(dá)起點時仍沒吐絲

14、，造成欠堆積；如果距終點距離很近了才停止送絲，就會有很多的絲材進入噴頭，這樣就會使得在噴頭到達(dá)終點時，仍有絲材溢出，造成過度堆積，在起點和終點處造成積瘤現(xiàn)象。同樣，如果距終點距離很遠(yuǎn)就停止送絲，那么在噴頭到達(dá)終點之前就已經(jīng)停止吐絲，就會造成欠堆積。因此距起點多遠(yuǎn)開始送絲，距終點多遠(yuǎn)就斷絲，這是一個可以優(yōu)化的參數(shù)，在設(shè)計控制系統(tǒng)時需要仔細(xì)的考慮。（3）、速度，在控制系統(tǒng)中需要控制的速度分為擠出速度和填充速度，擠出速度是指絲材在送絲機構(gòu)的作用下，從噴嘴中擠出的速度；填充速度是指噴頭在運動機構(gòu)的作用下，按照設(shè)定的輪廓路線和填充路徑運動時的速度。如果說擠出速度低于填充速度，就會造成材料填充不足，斷絲的

15、現(xiàn)象；如果說擠出速度高于填充速度，熔融的絲材就會在噴頭上堆積，使得成型面的材料分布不均勻，表面會有“疙瘩”，嚴(yán)重影響造型的表面質(zhì)量。因此，擠出速度和填充速度應(yīng)該控制在一個合理的范圍內(nèi)，應(yīng)該滿足：Vj/Vta1,a2式中 a1成形時出現(xiàn)斷絲現(xiàn)象的臨界值a2出現(xiàn)粘附現(xiàn)象的臨界值Vj擠出速度Vt填充速度即兩者的比值既不會小于斷絲臨界值（不會斷絲），又不會大于粘附的臨界值（不會起疙瘩）。（4）、線寬補償，由于絲材具有一定的寬度，在噴涂的過程中填充輪廓路徑與實際的輪廓線不重合。就跟車削加工一樣，要考慮刀具的半徑補償，這里也要考慮絲材的半徑補償。從理論上來說，一般的車削加工都是刀具半徑的一半，那么絲材的半

16、徑補償?shù)囊矐?yīng)該是絲材半徑的一半。而實際加工過程中，擠出的絲的形狀尺寸受到噴嘴直徑、擠出速度、噴嘴溫度等眾多因素的影響，因此，擠出絲的寬度不是一個固定值，在這里我們可以借鑒已有的研究成果，確定補償量如下：1)當(dāng)擠出速度不太大，截面可直接簡化成圖中的矩形。計算公式為 W = B = 式中，為擠出速度；為填充速度；d為噴嘴直；h為分層厚度；B為絲截面矩形區(qū)域的寬度；W為絲截面的寬度即絲寬。2)當(dāng)擠出速度增大到一定值時，則應(yīng)考慮二次曲線部分的面積。計算公式為：W = B+ B= 這樣就可以確定補償量W/2中W的具體數(shù)值，從而設(shè)定補償量。使得輪廓的實際尺寸更加精準(zhǔn)。（5）、尺寸收縮補償，F(xiàn)DM工藝所采用

17、的ABS絲材都是熱塑性材料，在成型的過程中會發(fā)生兩次相變。一次是由固態(tài)的絲材融化成熔融狀態(tài)；一次是從噴嘴擠出后由熔融狀態(tài)冷卻成固態(tài)。我們都知道熱脹冷縮的基本自然現(xiàn)象，這會對直接影響成型件的成型精度。而收縮主要表現(xiàn)分為兩種：一種是熱收縮，即材料受熱膨脹，遇冷收縮，這是材料收縮產(chǎn)生的最主要的原因。一種是材料的分子取向收縮，即高分子材料固有的收縮取向，一般來說，填充方向的收縮率要大于堆積方向的收縮率。如下圖所示：材料所具有的收縮率和收縮取向會直接影響成型件的尺寸精度，并且在凝固收縮的過程中體積收縮會產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，內(nèi)應(yīng)力過大就會導(dǎo)致之間的翹曲變形甚至是脫層的現(xiàn)象。針對以上的情況，可以采取以下兩種措施對其

18、進行校正或降低影響程度：1）、針對尺寸收縮采取三維建模階段進行預(yù)先的尺寸補償，對于填充方向?qū)ζ湓黾拥难a償量，而堆積方向增加的補償量。具體的公式如下：= =式中，為考慮實際零件尺寸的收縮還受零件形狀、打網(wǎng)格的方式以及每層成形時間長短等因素單獨或交互的制約，經(jīng)實驗估算為0.3；，分別為材料水平方向和垂直方向的收縮率，=0.7。 2）、對于制件的翹曲變形，我們可以采用多種合理的制作方法減少收縮應(yīng)力。例如：對截面實心部分進行虛線填充掃描，先x而后y方向交織掃描，這樣可以減少掃描線的絕對收縮量，使其收縮應(yīng)力充分釋放，減少變形；對輪廓線采取先填充后掃描的方法，這樣也有利于收縮應(yīng)力的釋放，避免輪廓線的變形，

19、提高表面質(zhì)量；也可先在墊層上用材料與造型相同底面略大的薄層底座，然后在底座上面造型，使變形都在底座上，而實際造型時產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力相互抵消；或者設(shè)計合理的支撐結(jié)構(gòu)限制翹曲變形等。3、結(jié)語經(jīng)過以上的分析可知，F(xiàn)DM工藝的改進總結(jié)來說可以分為三個大的層次：第一是軟件層次，包括建模軟件的選取，導(dǎo)出STL文件的參數(shù)選擇，以及分層切片時層高的選擇等；第二就是3D打印機的機械硬件部分，包括各種設(shè)計的合理性以及各個部件的位置、質(zhì)量、結(jié)構(gòu)等，這些是影響FDM工藝表面質(zhì)量和成型精度最根本的因素；第三就是3D打印機的電氣控制部分，包括對于運動時間，運動速度，溫度以及協(xié)調(diào)各個部分的性能。從這三個方面來尋求FDM工藝表面質(zhì)量和成型精度的突破，必定會取得可觀的成果。在日益要求精度和速度的今天，快速成型技術(shù)已經(jīng)取得了很大的成就，打破快速成型技術(shù)成型精度的限，將會使得FDM工藝的應(yīng)用以及發(fā)展更上一層樓。4、參考文獻1、 汪程、王宏松，F(xiàn)DM成形精度分析及實驗研究，【J】.熱加工工藝2012年第41卷第09期2、賈振元、