閆昌紅

（山西鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機電工程系，山西太原 030013）

0 前言

近些年來，隨著加工技術(shù)的發(fā)展，與減材制造技術(shù)相對，出現(xiàn)了一種的新的加工技術(shù)--增材制造技術(shù)。3D 打印技術(shù)是增材制造技術(shù)中的代表，該加工方法具有空間模型造型新穎，加工技術(shù)相對傳統(tǒng)減材加工技術(shù)簡易，單件產(chǎn)品加工周期短，成本相對低廉等優(yōu)勢。相對于傳統(tǒng)制造業(yè)加工技術(shù)，3D 打印技術(shù)是依據(jù)加法原則，分層制造原理進(jìn)行加工，將三維模型轉(zhuǎn)化成二維輪廓信息，快速加工的方法。首先，應(yīng)用三維設(shè)計軟件設(shè)計成品三維模型，然后應(yīng)用分層切片軟件，對三維模型進(jìn)行切片處理，生成加工文件，將文件傳輸?shù)?D 打印設(shè)備，即可以加工出產(chǎn)品。

產(chǎn)品質(zhì)量與其加工精度密不可分，3D 打印產(chǎn)品精度與多種因素有關(guān)，目前，3D 打印技術(shù)中有SLA 技術(shù)、SLS 技術(shù)、PDM 技術(shù)、LOM 技術(shù)，本文著重探究分析熔融成型（FDM）法在前期數(shù)據(jù)處理、成型加工過程、后處理階段其參數(shù)誤差對產(chǎn)品精度的影響。

1 3D 打印中FDM 加工技術(shù)及加工程序代碼的生成

1.1 FDM 加工技術(shù)及其特點

FDM加工技術(shù)是指熔融成型法，該方法應(yīng)用低熔點絲狀材料為原料，如PLA 可降解材料，利用電阻加熱的方法，將PLA 材料加熱至微高于其熔化溫度。3D 打印設(shè)備在模型程序代碼的控制下，噴嘴噴頭在二維平面內(nèi)運動，將熔融的材料涂覆在工作臺上，待該層材料冷卻后形成一層截面，待一層成型后，噴頭按照程序指令上移一層，進(jìn)行下一層材料的噴涂，通過逐層累加的方式，堆積形成了模型的成品工件[3]。

該種技術(shù)污染小，PLA 材料可以降解，可用于小中型工藝品、工件品的成型。選用ABS、PLA 固體類絲狀成型材料，可用于塑料產(chǎn)品、蠟?zāi)?、樣件等模型?/p>

1.2 FDM 技術(shù)中加工程序代碼的生成

（1）應(yīng)用三維設(shè)計軟件UG，建立模型。在UG軟件建模環(huán)境中，應(yīng)用相關(guān)的軟件操作命令，繪制模型圖，然后生成為stl 格式的文件。

（2）應(yīng)用切片軟件，生成相應(yīng)的加工程序文件。

在市場上，有兩種常用切片軟件，Cura 和Flash 軟件。應(yīng)用Cura 軟件，可以進(jìn)行切片處理，生成Gcode 格式加工文件。應(yīng)用Flash 軟件，進(jìn)行切片處理，生成gx 格式加工文件。

圖1 加工過程

圖2 切片過程

2 成型件精度分析

FDM打印過程中前期數(shù)據(jù)處理、成型加工過程、后處理階段其參數(shù)等因素會直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量和精度。

2.1 前期數(shù)據(jù)處理中的誤差

2.1.1 STL 格式化引起的誤差

在應(yīng)用UG 軟件建模完成之后，需要生成STL格式文件，其實質(zhì)是用大量微小的空間三角形面來無限逼近還原實體模型，此三角形的數(shù)量將會影響實體的表面精度，數(shù)量越多，其精度越高。三角形數(shù)量過多，文件內(nèi)存大，會增加數(shù)據(jù)處理時間，應(yīng)在精度要求內(nèi)，選擇適量的三角形。在用UG建模軟件輸出STL 格式文件時，需要確定精度，即模擬原模型允許誤差。在此過程中，模型中其平面，不產(chǎn)生誤差，模型中其曲面，會產(chǎn)生模擬誤差，影響到加工精度。

為了提升加工精度，消除在切片中由STL 格式造成的誤差，可采用CAD 直接切片法。

2.1.2 模型分層厚度對成品精度的影響

在對模型進(jìn)行分層處理的過程中會產(chǎn)生一定的誤差，這種誤差屬于原理性誤差。在用切片軟件如Cura 對STL 文件進(jìn)行切片時，設(shè)定好成型方向，分層的厚度，選用的噴頭等參數(shù)時，就可以對模型進(jìn)行分層處理了。分層后得到一組垂直于成型方向等層厚的截面，此截面與模型的交線即形成了該截面的輪廓線，作為成型加工過程中的數(shù)據(jù)。因為層與層之間有微量的距離，破壞了模型表面的連續(xù)性，會丟失模型的部分信息，影響到其尺寸精度和表面精度[4]。相同厚度條件下，分層層數(shù)越多，其成品精度相對越高，同時會導(dǎo)致打印加工時間延長。

2.2 成型過程中加工誤差

3D 打印加工設(shè)備其結(jié)構(gòu)、構(gòu)件運動過程中會存在一定的原始誤差，為提升加工品的精度，需提高設(shè)備自身的精度。

2.2.1 工作臺引起的誤差

工作臺在絲杠的帶動下，上下移動完成成型加工。工作臺的運動誤差和直線度誤差會影響成型件的分層精度，導(dǎo)致成型件在Z 方向上的尺寸誤差，位置、形狀、表面精度誤差。工作臺是否水平會影響到其成型品底座的平面度，同時工作臺是否水平還會影響到成型品底座與工作臺的粘結(jié)是否牢固。如果成型品底座與平臺粘結(jié)不牢固，工作平臺在運動過程中，會影響到成型品微量移動，影響到成型品的精度，甚至造成工件報廢。工作平臺調(diào)平過程是一項技術(shù)、經(jīng)驗活。在調(diào)平過程中，經(jīng)多次實驗檢驗，采用二次或多次調(diào)平方式[1]，微量調(diào)整調(diào)平螺母，其水平性較好。

2.2.2 同步帶變形引起噴嘴定位誤差

步進(jìn)電動機帶動同步齒形帶運動，從而帶動3D 打印機噴頭水平方向移動。在打印機使用時間較長后，同步齒形帶可能會微量的變形，影響噴嘴的定位精度?？刹捎梦恢醚a償?shù)姆绞?，提升其定位精度?/p>

2.2.3 電機部分結(jié)構(gòu)引起噴嘴定位誤差

3D 打印機噴頭運動系統(tǒng)采用的是步進(jìn)電動機開環(huán)控制系統(tǒng)，噴頭移動過程中有一定的慣性，其時間運動定位尺寸略大于其設(shè)計尺寸，造成微量尺寸誤差，同時，噴頭在運動過程中是一個加減速過程，在兩邊的運動速度會小于中間移動速度，會造成加工品材料固化不均勻，邊緣的固化程度高于中間部分。

2.2.4 擠料速度與掃描速度誤差

在3D 打印增材加工制造中，噴頭的溫度參數(shù)值選取很關(guān)鍵，會影響到PLA 材料吐絲的粗細(xì)、材料冷卻速度和擠料速度，進(jìn)一步影響到加工品質(zhì)量[2]。在噴嘴類型一致相同移動速度的條件下，其擠料速度太高，在工件的表面和側(cè)面會出現(xiàn)材料溢出，影響表面精度，導(dǎo)致支撐結(jié)構(gòu)與工件不易分離；若擠料速度過低，就會造成工件材料缺失的現(xiàn)象。因此，選擇合適的擠料速度，有助于提高工件的精度，其輪廓線更清晰，其支撐結(jié)構(gòu)與工件易于分離。

2.2.5 加工材料對加工質(zhì)量的影響

PLA 材料可降解，在剛拆封后使用，材料柔韌性優(yōu)良，在環(huán)境中自然放置一段時間后，材料會自然風(fēng)化。風(fēng)化的材料，會影響到加工品的質(zhì)量。在加工過程中，注意材料選用及保存。

2.3 后處理階段產(chǎn)生的誤差

在工件固化成型后，需要去除其支撐部分，進(jìn)行拋光、打磨和表面處理等工序，此階段稱為后處理。后處理階段對工件精度的影響有三種：

（1）在去除支撐時，可能會刮傷工件表面，影響其表面粗糙度。在切片支撐設(shè)計時，選擇有效簡單的支撐結(jié)構(gòu)，起到支撐作用又方便去除，同時可節(jié)省后處理時間。

（2）工件固化成型后，零件的內(nèi)部會存在一定的內(nèi)應(yīng)力，在溫度、濕度外部環(huán)境的影響下，工件會產(chǎn)生一定的變形。消除工件中的內(nèi)應(yīng)力，可提高零件的成型精度。

（3）成型后的零件表面存在階梯紋、尺寸誤差，需要對加工件打磨、修補、拋光等處理。在此過程中，可能會對工件的尺寸和表面質(zhì)量造成破壞，產(chǎn)生誤差。