FDM工藝參數(shù)對成型制品尺寸精度影響的研究

鄔宗鵬

（安徽工業(yè)大學(xué) 工程實踐與創(chuàng)新教育中心，安徽 馬鞍山 243002）

1 引言

熔融沉積(Fused Deposition Modeling，F(xiàn)DM)快速成型是一種基于噴射的成型技術(shù)，具有成本低、成型速度較快、無污染等特點[1].在FDM成型加工過程中，每一個環(huán)節(jié)都可能會引起誤差，這些誤差嚴(yán)重影響了FDM制品的成型尺寸精度，作為其中重要因素的工藝參數(shù)，將會直接引起成型制品尺寸精度的較大差別，因此在加工之前予以考慮.本文利用北京殷華GⅡA型快速成型機(jī)，通過制品加工試驗，考察不同的主要工藝參數(shù)對制品尺寸精度的影響，以期為后續(xù)的成型制品精度分析提供理論參考依據(jù).

2 FDM快速成型的工藝原理

熔融沉積是將絲狀的熱熔性材料加熱溶化，通過帶有一個微細(xì)噴嘴的噴頭擠噴出來，其工藝原理如圖1所示.

圖1 FDM快速成型工藝原理圖

噴頭裝置在計算機(jī)的控制下，可根據(jù)加工工件截面輪廓的信息作X,Y平面運動，而工作臺則作Z方向，即垂直高度的運動.熱塑絲材（ABS、蠟絲及尼龍絲等）由供絲機(jī)構(gòu)送至噴頭，并在噴頭中加熱至熔融狀態(tài)，然后被選擇性地涂覆在工作臺上，快速冷卻后形成加工工件截面輪廓.當(dāng)一層成型完成后，工作臺下降一截面層的高度，噴頭再進(jìn)行下一層的涂覆，如此循環(huán)，最終形成三維制品[2].

3 FDM系統(tǒng)的主要工藝參數(shù)

在FDM快速成型系統(tǒng)中，盡管諸多因素對成型制品精度或加工時間都有或多或少的影響，但主要還是由少數(shù)幾個工藝參數(shù)來控制的，本文選取了三個最重要的工藝參數(shù)在成型加工之前必須予以考慮,它們分別是分層厚度、填充線度、成型角度.

3.1 分層厚度

制品成型過程中每層切片截面的厚度.該參數(shù)與所用噴嘴類型有關(guān)，一般取0.15mm～0.4mm.

3.2 填充線度

層片填充線的寬度.它受到噴嘴直徑、層片厚度、噴射速度、掃面速度四個因素的影響，需根據(jù)制品的實際情況進(jìn)行調(diào)整.以合適的線寬造型，表面填充線應(yīng)緊密相接而無縫隙，同時不能發(fā)生過堆現(xiàn)象.

3.3 成型角度

制品與成型室三維坐標(biāo)系的夾角，如圖2所示,α為長方體模型與XOY平面的夾角，即將長方體繞X軸旋轉(zhuǎn)了一個α角[3].

圖2 制品成型角度

4 工藝參數(shù)對制品尺寸精度的影響

4.1 分層厚度對尺寸精度的影響

分層厚度與擠出絲材的絲寬之間有較大關(guān)系，直接影響到制品的尺寸精度，為了研究其影響的程度，利用PRO/E三維軟件設(shè)計尺寸為20mm×10mm×5mm的長方體模型，如圖3所示，分別在分層厚度為0.2mm、0.3mmm、和0.4mm時成型，其余工藝參數(shù)取默認(rèn)值，加工后的試件如圖4所示.

圖3 長方體三維模型

圖4 長方體試件

成型前有關(guān)數(shù)據(jù)如下表1所示：

表1 不同分層厚度的成型數(shù)據(jù)

從表中可以看出隨著分層厚度的增加，試驗樣件的成型層數(shù)變小，成型時間縮短，但重量卻在增加.試件成型完畢后，即可關(guān)閉系統(tǒng)，下降工作臺，為使系統(tǒng)充分冷卻，將試件留在成形室內(nèi)，靜置30分鐘后取出并去除支撐，然后用游標(biāo)卡尺分別測量試件在X、Y、Z方向上的尺寸絕對誤差值（測量值減去真值的絕對值），結(jié)果是分層厚度為0.4mm時，長方體在Z方向上（高度）的誤差是0.8mm，而當(dāng)分層厚度為0.2mm時，誤差是0.35mm，其它方向誤差間比較不大，為0.02mm.因此，分層厚度對制品成型方向（Z向）的尺寸有較大影響.

4.2 成型角度對尺寸精度的影響

當(dāng)制品沿著一定角度成型時，為了研究其對尺寸精度的影響，使用20mm×10mm×5mm的長方體模型作為試驗件，分別在0°、30°、60°、90°的成型角度上進(jìn)行成型，分層厚度取0.3mm，其它參數(shù)取默認(rèn)值，成型后的試件如圖5所示.在經(jīng)過充分靜置和支撐材料去除后，用游標(biāo)卡尺分別測量試件在X、Y、Z方向上的尺寸誤差值，綜合數(shù)據(jù)如表2所示.

圖5 長方體試件

表2 不同成型角度的綜合數(shù)據(jù)

從以上數(shù)據(jù)可以作出以下分析：

（1）成型時間隨成型角度的改變而變化.制品加工前先是對其支撐材料的成型，那么角度的突然改變，必然導(dǎo)致支撐材料發(fā)生變化，從而成型時間產(chǎn)生差異.從成型并剝離得試驗件可以看到30°的支撐材料明顯多于60°如圖6所示.FDM快速成型實際加工中是盡可能減少成型時間，如何選擇合適的成型角度顯得十分重要.

（2）隨著成型角度的改變，試件在XYZ三個方向上尺寸誤差不盡相同，其大小依次為Z＞X＞Y，分別對應(yīng)試件的高、寬、長，試件的尺寸越小誤差越大，尺寸越大誤差越小.由于FDM設(shè)備噴嘴實際并不是一個微小的點，而是具有一定直徑的孔，如圖7所示，同時噴嘴在加工中掃描及換向速度不斷變化，因此導(dǎo)致試件小尺寸方向的精細(xì)處缺失，特別是其邊緣部分.

圖6 30°和60°試件支撐材料

圖7 FDM成型設(shè)備的噴嘴

（3）由數(shù)據(jù)可知試驗件在0°和90°成型時尺寸誤差最小，即尺寸精度較高，0°到60°時，誤差隨角度的增加而相應(yīng)增大，但從60°到90°時，誤差又隨角度的增加而減小，分析主要原因為階梯誤差造成，當(dāng)試件在沿著一定傾斜角度成型時，將產(chǎn)生較大的階梯誤差，而0°和90°成型的階梯誤差則較小.

4.3 填充線寬對尺寸精度的影響

根據(jù)相鄰填充線是否有間距，F(xiàn)DM快速成型制品的填充模式分為標(biāo)準(zhǔn)填充（無間隙）與孔隙填充（有間隙）兩種.標(biāo)準(zhǔn)填充應(yīng)用于制品的表面，各填充線緊密相接，沒有縫隙.孔隙填充則應(yīng)用于制品的內(nèi)部，可很大程度上減少成型材料的重量.

成型絲材具有一定寬度，因此填充時存在填充線寬，那么其數(shù)值的改變必然對制品成型的尺寸精度會產(chǎn)生影響，為了研究其影響程度，依然使用20mm×10mm×5mm的長方體模型作為試驗件，分別在填充線寬為0.2mm、0.5mm、0.8mm、1mm時成型，分層厚度取0.3mm，其它參數(shù)取默認(rèn)值，成型后的試件如圖8所示.在經(jīng)過充分靜置和支撐材料去除后，用游標(biāo)卡尺分別測量試件在X、Y、Z方向上的尺寸誤差值，綜合數(shù)據(jù)如表3所示.

圖8 長方體試件

從圖中可以清晰地看到0.2mm的填充線寬試驗件成型失敗，絲材發(fā)生過堆現(xiàn)象，并出現(xiàn)焦黃顏色，試件尺寸及表面質(zhì)量產(chǎn)生嚴(yán)重誤差，分析主要原因是受到噴嘴直徑的影響，北京殷華GⅡA型為0.4mm，當(dāng)成型材料熔融態(tài)被擠出時，絲線實際直徑會比噴嘴直徑大，所以讓其數(shù)值變成只有噴嘴直徑一半是無法實現(xiàn)的事情，因此0.2mm不作為影響尺寸精度的考慮參數(shù).

觀察表3的尺寸誤差數(shù)據(jù)可知，填充線寬的改變對試件的Z向（即長方體高）尺寸沒有影響，而是對試件的X和Y向（即長方體的寬和長）尺寸產(chǎn)生影響，隨著填充線寬的增大，試件的X與Y向的尺寸誤差相應(yīng)變大.由此得出結(jié)論，填充線寬的設(shè)置需根據(jù)成型設(shè)備和制品模型實際情況進(jìn)行調(diào)整，以合適的線寬造型，保證制品的尺寸精度.

5 結(jié)束語

在FDM快速成型加工中，尺寸精度影響著最終制品的質(zhì)量，它們對FDM技術(shù)能否拓展到更多應(yīng)用領(lǐng)域起著關(guān)鍵性甚至是決定性作用.本文針對目前FDM快速成型制品尺寸精度不高的情況，對影響FDM快速成型主要工藝參數(shù)進(jìn)行了分析，通過試驗研究了它們對制品的尺寸精度的影響，實踐證明，利用上述試驗的結(jié)果能夠很好地實現(xiàn)主要工藝參數(shù)的合理控制與設(shè)置的目的.

〔1〕劉偉軍.快速成型技術(shù)及應(yīng)用[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2005.12.

〔2〕莫建華.快速成型及快速制模[M].電子工業(yè)出版社，2006.155.

〔3〕王廣春，趙國群.快速成型與快速模具制造技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.1.