淺談3D打印的誤差分析

王博爽　宋福平　金波

【摘 要】本文從理論上介紹3D打印的基本原理，并系統(tǒng)的分析了成型的前期數(shù)據(jù)處理、成型加工過程和后處理三個階段各因素對成型精度的影響。同時，提出了改進成型制件精度的措施和方法，對快速成型技術(shù)的發(fā)展有一定的指導意義。

【關(guān)鍵詞】快速成型；成型精度；工藝參數(shù)

0.引言

3D打印與傳統(tǒng)的制造業(yè)去除材料加工技術(shù)不同，其遵循的是加法原則。首先設(shè)計出所需零件的三維模型，然后根據(jù)工藝要求，按照一定的規(guī)律將該模型離散為一系列有序的單元，通常在Z向?qū)⑵浒匆欢ê穸冗M行離散（習慣稱為分層），把原來的三維CAD模型變成一系列的層片；再根據(jù)每個層片的輪廓信息，輸入加工參數(shù)，自動生成數(shù)控代碼；最后由成形系統(tǒng)成形一系列層片并自動將它們聯(lián)接起來，得到一個三維物理實體。

目前基于分層制造原理，將三維造型轉(zhuǎn)化為二維輪廓信息疊加造型的快速加工方法，其成型制件的精度與很多因素有關(guān)。

1.前期數(shù)據(jù)處理誤差

在成型制件建模完成之后，需要將其進行數(shù)據(jù)方面的轉(zhuǎn)換，目前被應(yīng)用最多的就是STL格式文件，主要是用小三角面片來近似的逼近任意曲面模型或?qū)嶓w模型，能夠較好的簡化CAD模型的數(shù)據(jù)格式，同時在之后的分層處理時，也能夠較好的獲取每層截面輪廓上的相對于模型實體上的點。

1.1 STL格式化引起的誤差

STL格式文件的實質(zhì)就是用許多細小的空間三角形面來逼近還原CAD實體模型，其主要的優(yōu)勢就在于表達清晰，文件中只包括相互銜接的小三角形面片的節(jié)點坐標和其外法向量。用來近似逼近的三角形數(shù)量將直接影響著實體的表面精度，數(shù)量越多，則精度越高，但是三角形數(shù)量太多即過高的精度要求，會造成文件內(nèi)存過大，增加數(shù)據(jù)處理時間。所以應(yīng)在精度范圍內(nèi)選擇合理的離散三角形數(shù)量。當用建模軟件輸出STL格式文件時都需要確定精度，也就是模擬原模型的最大允許誤差。當表面為平面時將不會產(chǎn)生誤差，如果表面為曲面時，誤差則將不可避免的存在。

目前，為了得到準確的實體截面輪廓線，應(yīng)用較多的就是采用CAD直接切片法，該方法可以從根本上消除由STL格式而造成的截面輪廓誤差，同時也能夠有效的消除格式轉(zhuǎn)換造成的精度誤差。

1.2模型分層對成型精度的影響

對模型進行分層處理的過程中會產(chǎn)生一定的誤差，這種誤差屬于原理性誤差。分層處理是在STL格式轉(zhuǎn)換之后，通過預(yù)先設(shè)定好成型的方向，設(shè)定好分層的厚度，就可以對模型進行分層切片處理了。分層后會得到一組垂直于成型方向的彼此平行的平面，這些平面將STL格式文件截成等層厚的截面，截面與模型表面的交線即形成了該截面的輪廓信息，此信息可作為成型掃描過程中的數(shù)據(jù)。因為每層之間有一定的距離，由于其破壞了模型表面的連續(xù)性，這樣就可能丟失一部分的輪廓信息，造成模型的尺寸誤差和表面精度。

2.成型加工誤差

設(shè)備自身也存在著一定的誤差，它造成的是成型件的原始誤差。設(shè)備自身誤差的改善應(yīng)該從其系統(tǒng)的設(shè)計和制造過程中入手，提高成型設(shè)備的硬件系統(tǒng)，以便改進成型件精度。

2.1工作臺Z方向上的運動誤差

它主要在絲杠的控制下，通過上下移動完成最終的成型加工。所以工作臺的運動誤差將直接影響著成型件的層厚精度，從而導致成型件的Z向尺寸誤差。同時，工作臺的運動直線度誤差也會造成成型件的位置、形狀誤差和較差的粗糙度。

2.2 X、Y方向同步帶變形誤差

X、Y掃描系統(tǒng)：步進電機控制并驅(qū)動同步齒形帶，然后帶動打印頭進行每層的掃描運動，是一個二維的運動過程。在定位或者使用時間較長以后，同步齒形帶可能會產(chǎn)生一定情況的變形，會嚴重影響掃描系統(tǒng)的定位精度，所以為了解決這個問題常采用位置補償。

2.3 X-Y方向定位誤差

成型機運動控制系統(tǒng)采用的是步進電機開環(huán)控制系統(tǒng)，電機自身和其各個結(jié)構(gòu)都會對系統(tǒng)動態(tài)性能造成一定的影響。X、Y掃描系統(tǒng)在往復(fù)的掃描過程中存在著一定的慣性，使掃描鏡頭的掃描尺寸其實大于成型件的設(shè)計尺寸，造成尺寸誤差，同時，由于掃描系統(tǒng)在掃描過程中是一個加減速的過程，邊緣掃描速度會小于中間掃描速度，這樣就會導致成型件邊緣的固化程度高于中間部分，固化不均勻。

掃描機構(gòu)在成型過程中，總是在進行連續(xù)的往復(fù)填充運動。驅(qū)動掃描機構(gòu)的電機自身存在著一個固有頻率，掃描不同線長的時候會出現(xiàn)各種頻率，所以當整個機構(gòu)發(fā)生諧振時，會給掃描機構(gòu)帶來很大的振動，嚴重影響成型的精度。

2.4擠料速度與掃描速度誤差

在保證有足夠加熱功率和相同掃描速度的前提下，若擠料速度過高，在工件的表面及側(cè)面就會出現(xiàn)材料溢出現(xiàn)象，導致表面粗糙，支撐結(jié)構(gòu)與工件不易分離；若擠料速度過低，在掃描軌跡上就會出現(xiàn)材料缺失現(xiàn)象。因此，適當降低擠料速度，能提高工件的表面品質(zhì)，輪廓線更清晰，支撐結(jié)構(gòu)與工件易于分離。

綜上所述，通過優(yōu)化工藝參數(shù)可以有效地提高成型件的精度和質(zhì)量。

3.后處理產(chǎn)生的誤差

成型完成之后，需要將成型件取下并去除支撐，對于固化不完全的成型件，還需要進行二次固化。固化完成后還需對其進行拋光、打磨和表面處理等工序，將這些稱之為后處理。后處理對成型精度的影響可分為下列三種：

（1）支撐去除時，因為人為等因素有可能會刮傷成型表面或其精細的結(jié)構(gòu)，嚴重影響成型質(zhì)量。為了避免這點，在支撐設(shè)計時應(yīng)該選擇合理的支撐結(jié)構(gòu)，既能起到支撐作用又方便去除，在允許范圍內(nèi)少設(shè)支撐，節(jié)省后處理時間。

（2）成型后，由于工藝和本身結(jié)構(gòu)問題，零件的內(nèi)部還會存在一定的殘余應(yīng)力，并且在外部條件如溫度、濕度等環(huán)境的變化下，成型件會產(chǎn)生一定的翹曲變形，造成誤差。應(yīng)該設(shè)法減小成型過程中的殘余應(yīng)力，以提高零件的成型精度。

（3）成型后的零件在尺寸和粗糙度方面可能還不能完全滿足用戶的需求，例如表面存在階梯紋、強度不夠，尺寸不精確等，所以要對成型件進行進一步的打磨、修補、拋光和噴丸等處理。如果處理不好，可能會對成型件的尺寸和表面質(zhì)量等造成破壞，產(chǎn)生后處理誤差。

綜上所述，通過減小分層厚度可以通過自適應(yīng)的分層方法能很好的提高成型件的表面精度，降低因分層數(shù)量較多而引起的效率降低問題，或者通過優(yōu)化成型加工方向的辦法來提高成型件表面質(zhì)量。其中優(yōu)化成型加工方向在工藝上有一定的難度，對于成型加工方向的優(yōu)化，不僅要考慮精度的因素，也要著重考慮成型效率和支撐設(shè)計等方面因素。

4.結(jié)論

自由成形件的精度是指加工后的成形件與原三維CAD模型之間的誤差，主要有尺寸誤差，形狀誤差和表面誤差。因為自由成形的全過程包括前處理、自由成形和后處理三個階段，所以每個階段都可能存在影響成形件精度的因素。然而，成型件的精度不只與成型機本身精度有關(guān)，還與自由成形全過程中的其他因素有關(guān)，而（下轉(zhuǎn)第156頁）（上接第110頁）且這些其他因素還更加難以控制。 [科]

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