熔融沉積成型制品精度的影響因素分析

熔融沉積成型制品精度的影響因素分析

擴(kuò)散速度成像技術(shù)（fuseddepositionmovementation）是快速成像技術(shù)中相對(duì)成熟的工藝之一。FDM技術(shù)是利用熱塑性材料的熱熔性、粘結(jié)性等特點(diǎn),在計(jì)算機(jī)控制與管理下,根據(jù)零件的CAD模型,采用材料(如蠟、ABS、聚碳酸酯、尼龍等)精確堆積(由點(diǎn)堆積成面,由面堆積成三維實(shí)體)的方法制造原型或零件。能夠廣泛應(yīng)用于教育、醫(yī)學(xué)、汽車、考古、動(dòng)漫、工業(yè)設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)等多領(lǐng)域。目前FDM系統(tǒng)在全球已安裝的快速成型系統(tǒng)中約占30%。FDM技術(shù)日趨成熟,但也存在不少弊端,像產(chǎn)品的精度不高,表面不夠光滑、內(nèi)應(yīng)力變形及強(qiáng)度不足等等。針對(duì)這些問題,文章通過實(shí)驗(yàn)方法,并結(jié)合成形產(chǎn)品進(jìn)行精度分析,以進(jìn)一步掌握FDM成形工藝和探討改善FDM成形精度的方法。1fd原型件精度分析FDM快速原型的尺寸精度取決于許多因素,為了分析FDM原型件的精度,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試件的設(shè)計(jì)原則成型層厚:0.175-0.4mm;最大掃描速度為:5~80cm3.h1.2aurora軟件分層、添加支撐用戶在使用MEM320A快速成形機(jī)時(shí),機(jī)器允許修改的工藝參數(shù)很多,包括掃描速度、噴頭速度、送絲速度、層片厚度、開啟延時(shí)、關(guān)閉延時(shí)、基層底數(shù)等。另外,在用Aurora軟件對(duì)STL模型進(jìn)行分層、添加支撐處理時(shí),還可以設(shè)定掃描線寬、輪廓掃描次數(shù)、填充角度、填充間隔、支撐角度等參數(shù)。此次試驗(yàn),層厚取最小值0.175mm,噴嘴溫度250度,成型室溫度70度,其余掃描線寬等參數(shù)采用系統(tǒng)默認(rèn)的參數(shù)進(jìn)行成型,流程見圖2。1.3尺寸精度測(cè)量將做好的尺寸測(cè)試件除去支撐后,不經(jīng)過打磨,經(jīng)三坐標(biāo)測(cè)量,獲得主要特征的尺寸精度和形狀精度(相同的特征取公差大的)。尺寸精度測(cè)量結(jié)果如表1。形位精度測(cè)量結(jié)果如下表2。1.4工作曲面精度分析尺寸精度分析:通過表中的數(shù)據(jù),可以發(fā)現(xiàn)打印出來的FDM成型件,各部分相同特征的尺寸精度并不一致。六邊形各垂直面表面精度較好,水平面精度較差。圓柱孔及圓柱特征沒有大的變形,三棱柱凸臺(tái)和長方形凸臺(tái)精度較差。垂直于工作臺(tái)面的表面精度好于水平平面的精度。尺寸精度基本上控制在±0.2mm內(nèi)。形位精度分析:成形件中的圓柱、圓柱孔其圓柱度在0.1mm左右,孔的中心距誤差較大。三棱柱凸臺(tái)的角度誤差較大。六邊形平面的平行度在0.15mm左右。試驗(yàn)總結(jié):從試驗(yàn)數(shù)據(jù)看,機(jī)器由于是半熔融狀態(tài)塑料擠制成型,打印出來的產(chǎn)品顯示出一些層效應(yīng)和變形,表面完工精度受到影響,精度難以與傳統(tǒng)的減材制造方法相比。對(duì)于塑型,裝配以及功能性原型,FDM工件的表面精度是可以接受的。但不能達(dá)到復(fù)雜零部件對(duì)精確的要求,不能對(duì)FDM成型件的結(jié)構(gòu)性,氣密性和強(qiáng)度有特別高的要求。2集成制造過程通過上面實(shí)驗(yàn)可知,FDM工藝是一個(gè)涉及CAD/CAM、數(shù)據(jù)編程、材料編制、材料制備、工藝參數(shù)設(shè)置及后處理等環(huán)節(jié)的集成制造過程。每一個(gè)環(huán)節(jié)都會(huì)引起誤差,這些誤差嚴(yán)重影響了FDM原形件的精度,阻礙了其在快速成形技術(shù)及功能零件制造中的進(jìn)一步應(yīng)用,以下分析幾個(gè)主要的因素:2.1材料的流變性FDM材料的性能將直接影響模型的成型過程及成型精度,FDM材料在加工工藝過程中要經(jīng)歷固體→熔體→固體的2次相變過程,在冷卻成固體的過程中,材料收縮會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力變形,從而影響成制件的精度。2.2層間粘結(jié)的影響噴頭溫度決定了FDM材料的絲材流量、擠出絲寬度、粘結(jié)性能及堆積性能等。若噴頭溫度太低,材料粘度就會(huì)加大,絲束的擠出速度變慢,若絲束流動(dòng)太慢有時(shí)還會(huì)造成噴頭堵塞,同時(shí)絲束的層與層之間的粘結(jié)強(qiáng)度也會(huì)相應(yīng)降低,有時(shí)甚至還會(huì)引起層與層之間的相互剝離。若噴頭溫度太高,材料趨于液態(tài),粘性系數(shù)變小,流動(dòng)性增強(qiáng),可能會(huì)造成擠出速度過快無法形成可精確控制的絲束,在加工制作時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)前一層的材料還未冷卻成型時(shí),后一層就鋪覆在前一層的上面,使得前一層材料可能會(huì)出現(xiàn)坍塌現(xiàn)象。因此,噴頭溫度的設(shè)定非常重要,應(yīng)根據(jù)每種絲束的性質(zhì)在一定范圍內(nèi)進(jìn)行恰當(dāng)?shù)倪x擇,保證擠出的絲束呈正常的熔融流動(dòng)狀態(tài)。2.3擠出速度的影響擠出速度是指噴頭內(nèi)熔融狀態(tài)的絲束從噴嘴擠出時(shí)的速度。若擠出速度增大,擠出絲的截面寬度就會(huì)逐漸增加,當(dāng)擠出速度增大到一定值,擠出的絲束粘附于噴嘴外圓錐面,形成“擠出漲大”現(xiàn)象,在此情況下就不能進(jìn)行正常的加工。2.4分層厚度對(duì)模型的影響分層厚度是指在成形過程中每層切片截面的厚度。由于每層有一定厚度,會(huì)在成形后的實(shí)體表面產(chǎn)生臺(tái)階的現(xiàn)象,這將直接影響成形后實(shí)體的尺寸誤差和表面粗糙度。對(duì)于FDM快速成型工藝,由于分層厚度的存在,就不可避免出現(xiàn)臺(tái)階現(xiàn)象,這將直接影響成型后模型的尺寸誤差、表面粗糙度。通常情況下,分層厚度的數(shù)值越大,模型表面產(chǎn)生的臺(tái)階高度也就越大,表面質(zhì)量會(huì)越差,但加工效率相對(duì)較高。分層厚度的數(shù)值越小,模型表面產(chǎn)生的臺(tái)階高度也就越小,表面質(zhì)量也就越高,但所需分層處理和成型的時(shí)間就會(huì)相應(yīng)延長。此外,為了提高制件的成型精度,可在模型制件加工完畢后,進(jìn)行拋光打磨等后處理。2.5旋掃描等掃描FDM成型方法中的掃描方式有多種,如回轉(zhuǎn)掃描、偏置掃描、螺旋掃描等。通常情況下,可以采用復(fù)合掃描方式,即模型的外部輪廓用偏置掃描,模型的內(nèi)部區(qū)域填充用回旋掃描,這樣既可以提高表面精度,又可以簡化整個(gè)掃描過程,也提高了掃描的效率。3離散化過程中的精度損失為了提高FDM產(chǎn)品的精度,可以采用以下一些措施:(1)通過軟件(如GeomagicStudio)對(duì)STL文件修復(fù),提高面片的質(zhì)量,減少CAD模型離散化過程中的精度損失。(2)選擇合適的工藝參數(shù),包括層厚、補(bǔ)償量、擠出速度、填充速度、開啟/關(guān)閉延時(shí),噴頭溫度、成型室的溫度及絲材。(3)改變成型零件的方位,減小原型斷面長度。精度要求較高的表面通常以垂直方向成型。較不重要的表面通常以水平方向成型,就像是底端或是頂端的表面。(4)增加基底厚度,增大填充間隔,可以減小內(nèi)應(yīng)力,減少物件彎曲形變的程度。(5)保持打印平臺(tái)的干凈,校準(zhǔn)好Z軸打印的初始高度。4改進(jìn)成型件精度的方法和措施文章通過實(shí)驗(yàn),分析了FDM試件成型時(shí)的尺寸精度和形位精度。討論了影響成型精度的因素及工藝參數(shù),提出了改進(jìn)成型件精度的方法和措施。由于影響成型