控制FDM成型3d打印技術制件誤差提供精度的方法研究

快速成型技術有二十多種不同的成型方法和工藝。熔融堆積成型(FusedDeposition Modeling，F(xiàn)DM)因其成本低、強度較好、無毒氣和無化學污染而被廣泛采用。FDM采用計算機控制噴頭做水平運動，將加熱的熱塑性材料從噴頭里擠出來，在溫度低于材料熔點的成型室工作臺上，迅速形成一層薄片輪廓截面，然后工作臺下降一定高度(即層厚)，噴頭繼續(xù)擠出熱塑性材料，這樣逐層堆積，最終堆積成三維產品零件。基于FDM原型可間接制造硅膠模，由于成本低，周期短，在產品開發(fā)中應用很廣泛；把FDM技術和電鑄、電弧噴涂等傳統(tǒng)的技術結合起來，利用FDM工藝加工出的原型直接作為母模，通過傳統(tǒng)的中間轉換技術快速制�！�—生成注塑�；駿DM電極等來進行產品的批量生產。


FDM原型的尺寸精度、幾何精度和表面粗糙度對于最終產品質量起著決定性的作用。表面粗糙度可以通過后處理打磨來解決，所以控制成型件的尺寸精度、幾何精度至關重要。為了使快速成型從技術上更具有競爭力，必須提高FDM成型件的質量。

FDM成型件精度的影響因素及分析
從FDM成型工藝過程來看，成型件的誤差主要有以下幾方面：1)CAD模型離散化過程中的兩重精度損失。2)成型堆積過程中的制造誤差。3)成型設備系統(tǒng)的誤差。4)Z軸的運動定位精度和重復定位精度等。

CAD模型離散化過程中的兩重精度損失
CAD模型離散化過程中的兩重精度損失一是三角網(wǎng)格化。目前快速成型軟件接受的數(shù)據(jù)文件一般為STL格式，必須對三維模型近似處理，用一系列的小三角形平面來逼近原CAD模型，這一網(wǎng)格化過程給模型幾何形狀精度帶來一重損失。二是分層離散過程。目前采用等分層厚度，層面信息是若干線段組成的封閉多邊形，當分層跨過兩個三角網(wǎng)格時，帶來輪廓特征的丟失引起另一重精度損失。

成型堆積過程中的制造誤差
1)成型材料的收縮引起制件尺寸誤差。由于噴頭擠出的是熱熔融狀的ABS樹脂，材料固有的熱膨脹引起的體積變化在冷卻固化過程中產生收縮，收縮引起制件的外輪廓向內偏移、內輪廓向外偏移，造成較大的尺寸誤差。
2)收縮引起的翹曲變形。由于體積收縮產生的內應力引起原型整體變形和翹曲變形，翹曲變形對制件成型精度影響很大，可能造成嚴重的失真。
3)噴絲寬度引起的噴涂輪廓線誤差。由于噴絲有一定的寬度，而噴頭的運動軌跡是輪廓的中心，所以外輪廓會偏大，內輪廓會偏小。


成型設備系統(tǒng)的誤差
成型設備系統(tǒng)的誤差都會對成型精度產生影響，主要有以下幾方面：1)噴頭的運動定位精度和重復定位精度誤差：2)X、y軸導軌的垂直度誤差；3)z軸與工作臺面的垂直度誤差；4)Z軸的運動定位精度誤差和重復定位精度誤差等。


在CAD模型離散化過程中兩種文件表示格式引起精度損失，提高精度和減少損失只能依靠尋求更優(yōu)的CAD接口數(shù)據(jù)標準來實現(xiàn)。如現(xiàn)在有些學者已經(jīng)著手研究用STEP標準替代STL標準來進行模型的表示，也可以通過對STL文件修復提高面片的質。至于成型設備系統(tǒng)的誤差可以在設備的控制系統(tǒng)中采用自補償?shù)姆椒▉頊p小設備的制造誤差。在成型堆積過程中的制造誤差是影響精度的主要原因。FDM成型工藝有其特殊性，為了減小尺寸誤差和翹曲變形對原型質量的影響，需要對FDM成型精度有影響的因素進行分析。FDM成型是一個非常復雜的過程，一般需要根據(jù)試驗確定加工參數(shù)，用分析的結果來指導成型，以達到提高原型成型質量的目的。

型堆積過程誤差產生的原因及消除對策
CAD數(shù)模的預先尺寸補償
CAD數(shù)模的預先尺寸補償是針對尺寸收縮采取的減少FDM成型堆積過程誤差的一種對策，材料在
FDM成型過程中經(jīng)過“固體一熔體一固體”兩次相變。

對于FDM的ABS樹脂來說，收縮的產生主要有兩個因素：熱收縮和分子取向的收縮。
1)熱收縮即材料因其固有的熱膨脹率而發(fā)生的體積變化，是收縮產生的最主要來源。由熱收縮引起的收縮量△L為：
AL=SLAt……………………………………(1)
式中：6為材料的線膨脹系數(shù)，I／。C；L為零件尺寸，mm；At為溫度差，℃。
2)分子取向的收縮即FDM成型過程中，熔融態(tài)的ABS樹脂分子在填充方向上被拉長，在隨后的冷卻過程中，被拉長的分子恢復到原來的狀態(tài)而產生收縮。取向作用會使堆積絲在水平方向(即填充方向)的收縮率大于高度方向(即堆積方向)的收縮率。

從理論上講，如果補償因子準確，對收縮進行準確補償完全可行。然而試驗表明，要想通過“收縮補償因子”精確地控制尺寸并不是一件簡單的事情，而只能是允許材料收縮在一定的范圍內隨機波動。但對于堆積在已加工層上的堆積絲來說，由于它受到約束，收縮量比自由狀態(tài)要小。零件尺寸的實際收縮將受到零件形狀、尺寸、成型過程工藝參數(shù)設置以及每層成型時間等因素單獨或交互地制約，且每種因素均具有不確定性，故很難找到一種精確的數(shù)學模型來衡量實際收縮量。

為了提高FDM成型精度，在分層參數(shù)和成型工藝參數(shù)不變的情況下，只有通過試驗來估算收縮系數(shù)的大小，針對不同的零件形狀和結構特征，在設計時考慮收縮量進行尺寸補償，使CAD模型的尺寸略大于零件的實際尺寸，當冷卻凝固時，零件尺寸最終收縮到成型件的尺寸。

減少收縮應力的合理工藝制作方法
對于制件的翹曲變形，可采用多種合理的工藝制作方法減少收縮應力。
材料所具有的收縮率和收縮取向會直接影響DM成型件的尺寸精度，同時凝固過程中的體積收縮也將會產生內應力，嚴重時這個內應力會導致制作件的翹曲變形及脫層現(xiàn)象。翹曲變形與材料收縮率、成型室溫度、原型斷面長度、原型堆積層數(shù)和堆積層層厚有關，最大的翹曲變形量噴頭溫度，℃；日。為成型室溫度，℃。

由式(2)可知，可以通過以下途徑減小內應力和翹曲變形：1)提高成型室的溫度，降低溫差，減小內應
力；2)增大填充間隔，減小內應力；3)減小原型斷面長度．改變成型零件的方位，使每個截面的路徑最短；4)
減小層厚。對一確定的成型件，層厚減小，使層數(shù)增加，有助于減小翹曲變形；5)增加基底厚度，使變形都在基底座上，而實際成型時產生的內應力相互抵消。

理想輪廓線的補償
理想輪廓線的補償是減少噴絲寬度引起的噴涂輪廓幾何誤差的一種對策。通常在分層參數(shù)設置里，認為理想輪廓線的補償就是噴嘴孔的直徑。但由于絲從噴頭擠出到成型是從熔融態(tài)到固態(tài)，當噴頭沿由數(shù)控程序生成的理想輪廓線進行填充時，擠出絲的直徑比噴嘴孔直徑略大一些；在成型過程中，擠出絲由于受層與層間的擠壓不會是圓柱形，而是具有一定寬度的扁平形狀，如圖I所示。所以輪廓截面絲寬不等于噴嘴直徑。