3D打印技術在零件制造中精度及質量控制方法研究

孫振軍

摘 要：隨著3D打印技術的不斷發(fā)展，其在進行零件加工時所選擇的材料、成形質量以及成形效率等成為人們關注的重點內容，究其原因主要是零件加工的質量在很大程度上直接決定著整個設備運行狀況，因此本文在進行研究中通過對3D打印工藝的原理進行分析，研究產生精度誤差的原因，從而提出有效的策略保證其制造精度和質量。

關鍵詞：3D打印技術;零件制造;質量控制

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.05.058

1 3D打印技術原理

3D打印技術其主要是依據計算機上所生成的三維模型為基礎，然后利用軟件的作用將三維的模型進行離散，從而分解為若干個層平面切片，接著在數控成型系統(tǒng)的作用下將一些金屬、陶瓷等材料以粉末狀的形式進行逐層堆積黏結，最終形成所要生產產品的疊加成型。3D打印技術與傳統(tǒng)制造業(yè)所采用的“減材料制造技術”相反，其在進行零件加工時采用的是“逐層疊加”的原則，也可以稱為“加材料制造技術”。3D技術的使用能夠在本大程度上減少材料的浪費，從而降低零件生產的成本，提高材料的利用效率，縮短加工周期。就目前來說3D打印技術主要包括SLA（光固化法）、FDM（熔融沉積法）、SLS（立體光刻法）、3DP（噴墨沉積法）、LOM（分層實體制造法）等。

2 3D打印零件誤差分析

（1）前期數據處理誤差。在切片前的預處理階段中需要對數據進行處理和轉換，而在該階段中數據的格式起著關鍵性的作用，直接決定著數據處理的效率。一般在該階段中主要采用的是STL格式，其主要是由多個不同的三角形面片定義組成，而其中每一個不同的三角形面片主要是對三角形定點的三維坐標以及在切片時面片的法矢量等進行定義，三角形數量的多少直接決定了在切片是的近似逼近精度。三角形的數量越多，表示三角網格越小，精度就越高，數據丟失率就越高，打印出來的效果也就越多，但是這樣數據丟失率越高會導致后期處理困難，因此為了有效的克服此現象可以利用CAD實體模型的方式進行直接切片，這樣可以消除由于STL格式問題對精度產生的影響。除此之外，在進行成型切片的過程中由于其算法的不同也會影響到切片成型的速度以及后期的效果。這是因為在切片時由于算法的原因會出現冗余的現象，導致模型輪廓不清，這樣就會導致成型模型與理論值之間有一定的差距。

（2）模型分層。從工藝原理分析可以了解到3D打印采用的是逐層疊加原理，但是在逐層疊加的過程中由于各種因素的影響會產生“臺階效應”。尤其是在一些曲面變化率較大的模型中進行加工制造時所產生的“臺階效應”更為明顯。在具體的加工時，首先確定模型所選擇的分層方向，然后層層利用STL文件格式對整個模型進行切割分層，這就可以可以得到每一個截面之間的輪廓信息，還能夠確定每一層的厚度，但是這樣在進行切割時由于數據之間的丟失，層與層之間就會出現一定的斷層，最終影響到零件模型成型的精度。對于3D打印技術來說其分層的原理不同，選擇的分層方向不同，就會影響到最后的成型效果，因此要合理的選擇分層數據。

（3）機器誤差。對于3D打印機來說其本身的配置等也會會材料的成型產生一定的影響，從而產生機器誤差。而機器中配置設備的要求越多，所產生的誤差也就越小，這樣所成型的模型精度也就越精確，因此在進行零件制造時需要綜合考慮設備的機器誤差。

（4）材料誤差。在3D打印中所選用的材料有金屬、陶瓷等多種不同的原材料，這樣由于材料的不同，在具體的成型過程中所處的溫度環(huán)境等的影響也就不同，這樣導致所成型的效果、制造的時間也不相同，因此保證材料的性能、加工環(huán)境是提高整個零件精度的根本途徑之一。

3 提高零件質量控制方式及精度誤差策略

在3D打印工藝中最為注重的兩個問題就是所加工零件質量精度以及生產的效率。為了有效的減少零件在加工時所產生的精度誤差，就需要在進行加工時正確選擇模型擺放的方向，這樣才能夠在保證質量的前提下，盡可能提升零件加工效率。從所加工零件的表面來說，在確定了模型制作的方向之后其還有可能存在一定的懸空區(qū)，在對該區(qū)域進行加工時，就需要充分的考慮到形變等問題，究其原因主要是由于所選擇的材料本身就具有一定的收縮性，而且在懸空區(qū)域內其制作方向也會影響到變形的效果，在懸空區(qū)加工時，這些因素都會導致分層厚度不一致，進而導致成型之后在表面上具有臺階差，最終影響成型模型的效果。在具體的實踐操作過程中為了有效的緩解模型表面的臺階差，可以將連續(xù)制作的兩層進行粘結，這樣可以適當的調整該層厚度，最終達到減小或者是避免誤差出現的目的。從生產的效率上進行分析，其主要取決于零件在進行加工制作時的時間。而制作時間又與零件制作的方向以及在制作過程中所選擇的工藝參數等具有非常緊密的聯系，因此在進行零件模型制作時要想很好的提高零件生產效率，蒜段生產周期，就需要對工藝參數進行合理的優(yōu)化，具體來說可以從以下幾方面進行著手：

（1）減少臺階現象的出現。在進行加工時經常會出現一些懸空區(qū)，這樣如果加工工藝參數設置不合理就有可能導致模型產生斜面，從而出現臺階效應。適當的調整分層厚度可以有效緩解此類現象;

（2）減少打印支撐。在完成零件加工工藝方向之后，進行打印時還需要對所設計模型的結構進行優(yōu)化，減少其在結構上的懸臂，這樣可以減少打印支撐;

（3）縮短打印時間。通過減少設計結構中的懸臂結構，可以有效減少打印支撐，這樣可以在很大程度上縮短打印時間，同時還需要對所加工零件的尺寸進行合理設計，這樣也可以縮短打印所消耗的時間。

4 結語

在實際模型成型過程中影響3D打印效果的因素有很多，其中參數是最為明顯的一個因素，合理優(yōu)化參數是提高零件精度和質量控制最為主要的一個方式。

參考文獻：

[1]扈恩同.3D打印技術在機械制造中的應用研究[J].世界有色金屬， 2018（01）.

[2]申偉，張利軍.3D打印技術在零件加工中的應用[J].金屬加工：冷加工，2017（17）：22-23.

[3]楊德建，劉仁洪.大型復雜金屬零件3D打印技術及研究進展[J]. 兵工自動化，2017，36（02）：8-12.

[4]吳興歡.3D打印系統(tǒng)中模型放置優(yōu)化方法研究[D].西安科技大學， 2017.