控制FDM成型3d打印技术制件误差提供精度的方法研究

快速成型技术有二十多种不同的成型方法和工艺。熔融堆积成型(FusedDeposition Modeling，FDM)因其成本低、强度较好、无毒气和无化学污染而被广泛采用。FDM采用计算机控制喷头做水平运动，将加热的热塑性材料从喷头里挤出来，在温度低于材料熔点的成型室工作台上，迅速形成一层薄片轮廓截面，然后工作台下降一定高度(即层厚)，喷头继续挤出热塑性材料，这样逐层堆积，最终堆积成三维产品零件。基于FDM原型可间接制造硅胶模，由于成本低，周期短，在产品开发中应用很广泛；把FDM技术和电铸、电弧喷涂等传统的技术结合起来，利用FDM工艺加工出的原型直接作为母模，通过传统的中间转换技术快速制模——生成注塑模或EDM电极等来进行产品的批量生产。


FDM原型的尺寸精度、几何精度和表面粗糙度对于最终产品质量起着决定性的作用。表面粗糙度可以通过后处理打磨来解决，所以控制成型件的尺寸精度、几何精度至关重要。为了使快速成型从技术上更具有竞争力，必须提高FDM成型件的质量。

FDM成型件精度的影响因素及分析
从FDM成型工艺过程来看，成型件的误差主要有以下几方面：1)CAD模型离散化过程中的两重精度损失。2)成型堆积过程中的制造误差。3)成型设备系统的误差。4)Z轴的运动定位精度和重复定位精度等。

CAD模型离散化过程中的两重精度损失
CAD模型离散化过程中的两重精度损失一是三角网格化。目前快速成型软件接受的数据文件一般为STL格式，必须对三维模型近似处理，用一系列的小三角形平面来逼近原CAD模型，这一网格化过程给模型几何形状精度带来一重损失。二是分层离散过程。目前采用等分层厚度，层面信息是若干线段组成的封闭多边形，当分层跨过两个三角网格时，带来轮廓特征的丢失引起另一重精度损失。

成型堆积过程中的制造误差
1)成型材料的收缩引起制件尺寸误差。由于喷头挤出的是热熔融状的ABS树脂，材料固有的热膨胀引起的体积变化在冷却固化过程中产生收缩，收缩引起制件的外轮廓向内偏移、内轮廓向外偏移，造成较大的尺寸误差。
2)收缩引起的翘曲变形。由于体积收缩产生的内应力引起原型整体变形和翘曲变形，翘曲变形对制件成型精度影响很大，可能造成严重的失真。
3)喷丝宽度引起的喷涂轮廓线误差。由于喷丝有一定的宽度，而喷头的运动轨迹是轮廓的中心，所以外轮廓会偏大，内轮廓会偏小。


成型设备系统的误差
成型设备系统的误差都会对成型精度产生影响，主要有以下几方面：1)喷头的运动定位精度和重复定位精度误差：2)X、y轴导轨的垂直度误差；3)z轴与工作台面的垂直度误差；4)Z轴的运动定位精度误差和重复定位精度误差等。


在CAD模型离散化过程中两种文件表示格式引起精度损失，提高精度和减少损失只能依靠寻求更优的CAD接口数据标准来实现。如现在有些学者已经着手研究用STEP标准替代STL标准来进行模型的表示，也可以通过对STL文件修复提高面片的质。至于成型设备系统的误差可以在设备的控制系统中采用自补偿的方法来减小设备的制造误差。在成型堆积过程中的制造误差是影响精度的主要原因。FDM成型工艺有其特殊性，为了减小尺寸误差和翘曲变形对原型质量的影响，需要对FDM成型精度有影响的因素进行分析。FDM成型是一个非常复杂的过程，一般需要根据试验确定加工参数，用分析的结果来指导成型，以达到提高原型成型质量的目的。

型堆积过程误差产生的原因及消除对策
CAD数模的预先尺寸补偿
CAD数模的预先尺寸补偿是针对尺寸收缩采取的减少FDM成型堆积过程误差的一种对策，材料在
FDM成型过程中经过“固体一熔体一固体”两次相变。

对于FDM的ABS树脂来说，收缩的产生主要有两个因素：热收缩和分子取向的收缩。
1)热收缩即材料因其固有的热膨胀率而发生的体积变化，是收缩产生的最主要来源。由热收缩引起的收缩量△L为：
AL=SLAt……………………………………(1)
式中：6为材料的线膨胀系数，I／。C；L为零件尺寸，mm；At为温度差，℃。
2)分子取向的收缩即FDM成型过程中，熔融态的ABS树脂分子在填充方向上被拉长，在随后的冷却过程中，被拉长的分子恢复到原来的状态而产生收缩。取向作用会使堆积丝在水平方向(即填充方向)的收缩率大于高度方向(即堆积方向)的收缩率。

从理论上讲，如果补偿因子准确，对收缩进行准确补偿完全可行。然而试验表明，要想通过“收缩补偿因子”精确地控制尺寸并不是一件简单的事情，而只能是允许材料收缩在一定的范围内随机波动。但对于堆积在已加工层上的堆积丝来说，由于它受到约束，收缩量比自由状态要小。零件尺寸的实际收缩将受到零件形状、尺寸、成型过程工艺参数设置以及每层成型时间等因素单独或交互地制约，且每种因素均具有不确定性，故很难找到一种精确的数学模型来衡量实际收缩量。

为了提高FDM成型精度，在分层参数和成型工艺参数不变的情况下，只有通过试验来估算收缩系数的大小，针对不同的零件形状和结构特征，在设计时考虑收缩量进行尺寸补偿，使CAD模型的尺寸略大于零件的实际尺寸，当冷却凝固时，零件尺寸最终收缩到成型件的尺寸。

减少收缩应力的合理工艺制作方法
对于制件的翘曲变形，可采用多种合理的工艺制作方法减少收缩应力。
材料所具有的收缩率和收缩取向会直接影响DM成型件的尺寸精度，同时凝固过程中的体积收缩也将会产生内应力，严重时这个内应力会导致制作件的翘曲变形及脱层现象。翘曲变形与材料收缩率、成型室温度、原型断面长度、原型堆积层数和堆积层层厚有关，最大的翘曲变形量喷头温度，℃；日。为成型室温度，℃。

由式(2)可知，可以通过以下途径减小内应力和翘曲变形：1)提高成型室的温度，降低温差，减小内应
力；2)增大填充间隔，减小内应力；3)减小原型断面长度．改变成型零件的方位，使每个截面的路径最短；4)
减小层厚。对一确定的成型件，层厚减小，使层数增加，有助于减小翘曲变形；5)增加基底厚度，使变形都在基底座上，而实际成型时产生的内应力相互抵消。

理想轮廓线的补偿
理想轮廓线的补偿是减少喷丝宽度引起的喷涂轮廓几何误差的一种对策。通常在分层参数设置里，认为理想轮廓线的补偿就是喷嘴孔的直径。但由于丝从喷头挤出到成型是从熔融态到固态，当喷头沿由数控程序生成的理想轮廓线进行填充时，挤出丝的直径比喷嘴孔直径略大一些；在成型过程中，挤出丝由于受层与层间的挤压不会是圆柱形，而是具有一定宽度的扁平形状，如图I所示。所以轮廓截面丝宽不等于喷嘴直径。