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        熔融沉積成型3D打印精度影響因素的實驗研究

        2018-10-13 02:09:16胡茂芹王玫王小潔劉羽歆李佳張杉杉
        機(jī)械工程師 2018年10期

        胡茂芹, 王玫, 王小潔, 劉羽歆, 李佳, 張杉杉

        (四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院,成都 610000)

        0 引言

        對于金屬機(jī)械零件,無論是傳動件、聯(lián)接件或其他類型的零件,通常采取車、銑、鏜、鉆、鑄等方法加工制造;而對于非金屬零件,一般采用模具塑壓成型[1-2]。這些傳統(tǒng)的制造方法能滿足一般要求下的加工需求,然而對于一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜的定制件,尤其是科研環(huán)境下有特定要求如不導(dǎo)電、不導(dǎo)磁、避光等的零件,常常需要由非金屬材料制作其實驗設(shè)備或零件,此時采用傳統(tǒng)的制造方法不僅費時、費工、難度大,而且加工成本高[3],導(dǎo)致了零件的研制周期長、成本高。3D打印技術(shù)具有個性化制造的典型特征,在復(fù)雜單件零件的制造方面具有相對優(yōu)勢,已經(jīng)成為了目前最有發(fā)展前景的快速成型技術(shù)之一。然而,3D打印還處于發(fā)展初期階段,技術(shù)相對不夠成熟,其技術(shù)應(yīng)用不僅受工藝參數(shù)的影響[4],受材料特性影響也較大。本文通過實驗研究,對熔融沉積成型(Fused Deposition Modeling,F(xiàn)DM)3D打印非金屬材料零件的精度影響因素進(jìn)行了研究。

        1 實驗用FDM3D打印機(jī)

        根據(jù)成型原理的不同,目前市面上3D打印機(jī)主要可分為光固化(SLA)3D打印機(jī)、熔融沉積(FDM)3D打印機(jī)以及選擇性激光燒結(jié)(SLS)3D打印機(jī)等[5]。其中,光固化3D打印存在著操作不便、耗材成本過高、制成品穩(wěn)定性較差等缺點;選擇性激光打印雖然能打印金屬材料以及多種熱塑性材料,但其設(shè)備體積大、價格也十分昂貴[6-7]。相比之下,F(xiàn)DM3D打印具有設(shè)備體積小、成本低、操作簡便等優(yōu)點,其應(yīng)用也最為廣泛,已被成功用于醫(yī)療、教育、建筑、工業(yè)模型等領(lǐng)域。FDM3D打印的成型原理是加熱打印材料至熔融狀,噴嘴按照既定的軌跡運動,使打印材料在一定的輪廓形狀內(nèi)一層層堆積,最終冷卻凝固形成打印成品[8]。

        如圖1所示,是本次實驗主要用到的3D打印機(jī)。該3D打印機(jī)由本團(tuán)隊自研自制,打印原理為熔融沉積(FDM)成型,其X、Y軸采用同步帶加光桿傳動,Z軸采用絲桿加光桿傳動;各軸均選用42步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動;上位切片軟件為Cura;打印材料一般選用PLA、ABS等熱塑性材料。

        為了更具代表性,本次選擇了用PLA耗材分別打印螺紋聯(lián)接件和行星輪系,以此初步探索影響3D打印零件精度的因素。

        2 螺紋聯(lián)接件3D打印精度影響因素分析

        圖1 實驗用3D打印機(jī)

        螺紋副是最典型、最常見的機(jī)械聯(lián)接形式,其精度主要表現(xiàn)在螺紋牙型、螺桿直線度、螺桿圓度等方面。通過3D打印制造出一批(60件)、桿長40 mm的M8螺紋副,并考察其打印精度,如圖2所示。打印制造出的螺紋副均能聯(lián)接使用,為了進(jìn)一步考察其精度,對螺桿長度L、外徑D進(jìn)行了測量,加測量結(jié)果如表1所示。另外,打印成型的螺紋圓周存在明顯“未封閉”的形狀誤差(如圖2所示),分別測量距螺紋頂部0 mm、15 mm、30 mm處的“未封閉”誤差情況s1、s2、s3,并計算其平均值sΔ,如表1、表2所示。

        圖2 螺紋聯(lián)接件3D打印實物及誤差示意

        表1 螺紋聯(lián)接件3D打印螺桿長度和外徑測量結(jié)果 mm

        表2 螺紋聯(lián)接件3D打印未封閉誤差測量結(jié)果 mm

        觀察長度和外徑測量結(jié)果的分布,分析其誤差的產(chǎn)生并不是隨機(jī)的,而屬于具有規(guī)律的系統(tǒng)誤差,即所有長度和外徑測量值都小于預(yù)設(shè)值。筆者認(rèn)為出現(xiàn)這一結(jié)果的可能原因如下:FDM3D打印的打印成型利用了材料的熱塑性,溫度的變化使材料由固態(tài)到熔融態(tài)再到固態(tài),打印材料的物理狀態(tài)變化必然對最終成型零件的精度產(chǎn)生某種影響,從而導(dǎo)致打印的實際尺寸小于預(yù)設(shè)尺寸。然而,目前的FDM3D打印在成型過程中只考慮了零件的幾何特性,而沒有考慮材料的熱特性對零件成型特征的影響。

        為了減小螺桿的長度和外徑誤差,就需要考慮材料的熱特性,材料的熱脹冷縮使得螺桿的長度和外徑普遍偏小。為此,筆者提出采用尺寸預(yù)補償?shù)姆椒ㄟM(jìn)行改進(jìn),即根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)誤差大小,在原設(shè)定尺寸基礎(chǔ)上加0.1 mm,打印出60個桿長40.1 mm的M8.1螺桿,并測量其長度、外徑和未封閉誤差,以作初步探索和驗證,其測量結(jié)果如表3、表4所示。

        由圖3、圖4可知,經(jīng)過尺寸預(yù)補償后,打印出的螺桿長度、外徑尺寸明顯較預(yù)補償前更接近標(biāo)準(zhǔn)尺寸,誤差明顯降低,故可以通過上位軟件對零件尺寸進(jìn)行預(yù)先補償,從而提高打印精度。

        表3 尺寸預(yù)補償后的螺桿長度和外徑分布 mm

        表4 尺寸預(yù)補償后未封閉誤差測量結(jié)果 mm

        圖3 對零件尺寸預(yù)補償

        對比表2和表4可知,螺紋圓周“未封閉”的輪廓誤差分散范圍很小,其誤差最大值與最小值不超過0.1 mm,且經(jīng)補償后該誤差仍然存在,并未呈明顯減小的趨勢。分析其產(chǎn)生的可能原因如下:

        圖4 對零件尺寸預(yù)補償前后螺桿外徑對比

        1)3D打印是通過噴嘴的運動形成零件的輪廓,而螺桿的外徑小,打印過程中電動機(jī)在短時間內(nèi)不停加減速、變向,驅(qū)動噴嘴在小范圍內(nèi)速度和方向的不斷改變。由于電動機(jī)性能的限制,導(dǎo)致噴嘴難以作精確的封閉圓周動作。2)3D打印機(jī)轉(zhuǎn)配精度不足,導(dǎo)致圓周運動的不準(zhǔn)確性。

        3 行星輪系3D打印精度分析

        3.1 光固化成型技術(shù)與FDM技術(shù)3D打印精度對比

        目前應(yīng)用最廣泛的傳動形式是齒輪傳動。行星輪系傳動由太陽齒輪、行星齒輪、中心輪、行星架組成,是齒輪傳動的一種特殊形式。對齒輪精度的考察集中體現(xiàn)在齒輪公法線、齒形、分度圓與齒輪內(nèi)孔同軸度等方面。

        為了進(jìn)行相應(yīng)的實驗研究,設(shè)計了一套行星輪系,其具體參數(shù)為:輸入輸出比1:1;太陽齒輪模數(shù)1 mm,齒數(shù)72;行星齒輪模數(shù)1 mm,齒數(shù)20;中心齒輪模數(shù)1 mm,齒數(shù)30。

        FDM3D打印機(jī)打印成型行星齒輪、中心齒輪及行星架,同時,利用光固化技術(shù)進(jìn)行太陽齒輪的3D打印成型,如圖5所示。

        為考察齒輪成型的精度,對太陽齒輪和中心齒輪的公法線長度進(jìn)行測量并做對比,現(xiàn)取部分測量值列于表5。

        由圖6可知,在標(biāo)準(zhǔn)為10.75 mm的情況下,光固化3D打印成型的齒輪精度較FDM成型高,究其原因主要為:1)光固化與FDM的成型原理不同,材料熱特性對其成型零件精度的影響較小;2)光固化3D打印機(jī)在打印過程中運動簡單,故由相對運動而引起誤差較小[9];3)光固化在成型過程中,其打印件并不與打印設(shè)備的其他部件直接接觸,避免了零件與外部件的相對運動而影響成型精度。

        圖5 行星輪系

        表5 行星輪公法線長度誤差測量結(jié)果 mm

        3.2 同軸度精度分析

        在3.1節(jié)的打印產(chǎn)品中,隨機(jī)抽取部分行星齒輪或中心齒輪,對其分度圓與內(nèi)孔同軸度進(jìn)行測量,測量值如表6所示。

        圖6 行星齒輪和太陽齒輪公法線長度對比

        裝配形成行星輪系后,齒輪分度圓與內(nèi)孔同軸度誤差會導(dǎo)致了傳動的不平穩(wěn),齒輪與傳動軸不能很好地配合,轉(zhuǎn)矩傳動能力差[10]。但由于3D打印對零件內(nèi)部的填充方式是呈蜂窩狀或網(wǎng)格狀填充,所以不能對打印出來的齒輪進(jìn)行二次加工。為了改善分度圓與內(nèi)孔的同軸度,提高傳動精度,我們采取了傳統(tǒng)加工手段與3D打印技術(shù)相結(jié)合的方法:在齒輪內(nèi)孔鑲嵌金屬毛坯,利用齒圈外圓定位,反過來重新加工齒輪內(nèi)孔,如圖7所示。這樣,不僅有3D打印快速成型的優(yōu)勢,還保證了分度圓與內(nèi)孔的同軸度。經(jīng)過改進(jìn)后,齒輪分度圓與內(nèi)孔同軸度進(jìn)行測量的結(jié)果如表6所示。由圖8可知,經(jīng)改進(jìn)后的齒輪分度圓與內(nèi)孔的同軸精度明顯提高,

        表6 改進(jìn)前后同軸度測量結(jié)果mm

        圖7 齒輪內(nèi)孔鑲嵌金屬

        4 結(jié)論

        圖8 改進(jìn)前后行星/中心齒輪同軸度對比

        3D打印對于各領(lǐng)域而言是一種極為新興的技術(shù),而目前該技術(shù)應(yīng)用還處于初始階段,還有很多技術(shù)問題有待解決,比如打印效率、打印成本、產(chǎn)品性能等。之后隨著科技技術(shù)及材料的不斷發(fā)展,3D打印技術(shù)也會得到持續(xù)的發(fā)展與進(jìn)步,應(yīng)用范圍也會不斷擴(kuò)大[11]。本文面向FDM3D打印工藝,對非金屬材料的打印精度進(jìn)行了實驗研究,雖然還未考慮3D打印設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計及控制系統(tǒng)性能對成型零件精度的影響,但能得到以下結(jié)論:

        1)FDM3D打印在成型零件時,材料的熱特性對打印精度有較大影響,表現(xiàn)為打印出的實際尺寸小于預(yù)設(shè)尺寸。所以,上位軟件在識別零件幾何特征的同時,應(yīng)該考慮打印材料的物理特性。本文通過使用在打印前對幾何圖形進(jìn)行尺寸預(yù)補償?shù)姆椒?,得出了具有更高精度的打印模型,實驗證明,該方法能夠明顯提升模型外觀尺寸的打印精度。但是,對于非材料物理特性導(dǎo)致的誤差,比如文中的小螺紋圓周“未封閉”的輪廓誤差,尺寸預(yù)補償?shù)姆椒]有明顯的改進(jìn)效果,要達(dá)到這一目的,需要進(jìn)一步提升3D打印機(jī)轉(zhuǎn)配精度和電動機(jī)性能。2)由光固化成型技術(shù)與FDM型技術(shù)行星輪系3D打印精度對比試驗可知,3D打印的方式對成型零件的精度有明顯影響,需要進(jìn)一步探索。3)3D打印作為一種新型的制造手段,同時也提供了零件結(jié)構(gòu)設(shè)計的新方法。文中將3D打印與傳統(tǒng)加工相結(jié)合的零件結(jié)構(gòu)設(shè)計方法用于行星/中心齒輪打印,明顯提升了打印精度。故探索3D打印與傳統(tǒng)加工相結(jié)合的零件結(jié)構(gòu)設(shè)計方法,也是3D打印的發(fā)展方向之一。

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