高善平

（泉州信息工程学院；福建泉州  362000）

项目：本文为2014年福建省中青年教师教育科研项目《FDM快速成型的工艺优化研究》（编号：JA14459）

摘要：本文主要根据FDM熔融堆积成型的工艺过程，主要分析了产品从预处理到成型过程再到后处理的主要误差及影响因素，为FDM成型工艺的优化及提高成型精度提供有效的依据。

关键字：FDM；精度；分析

1、背景

近来，随着全球市场一体化的形成，市场上产品的种类越来越多，消费者的需求日新月异，产品制造呈现出多品种小批量生产的状态，为了满足消费者需求，快速响应市场，这就要求企业的制造技术有较强的灵活性，具有较快的产品开发速度。20世纪80年代后期，快速成形技术作为新技术诞生，它可以自动、直接、快速、精确地将设计思想转变为具有一定功能的原型或直接制造零件，从而为零件原型制作、新设计思想的校验等方面提供了一种高效低成本的实现手段。该技术使得产品的加工周期缩短（加工周期节约70%以上），成本降低（制造费用降低50%），大大提高了制造业快速响应市场的能力。其中，FDM熔融沉积成型以其使用、维护简单，成本较低，速度快，体积小且无污染等特点，被广泛应用于家用电器、办公用品以及模具行业新产品开发，以及用于假肢、医学、医疗、大地测量、考古等基于数字成像技术的三维实体模型制造。但由于其成型设备、成型材料、系统软件、制件精度与强度的限制，使得FDM制件只停留在样品制造及装配实验等方面，而无法跟生产达到无缝结合。因此，提高FDM成型制件的精度和强度对于未来制造业的发展是非常有意义的。

2、工作原理

2.1 成型设备组成及原理

FDM成型机主要由加热系统、碰头、供丝系统、运动系统、工作台等组成。控制系统根据成型工艺驱使运动机构带着碰头沿着工件的轮廓运动，于此同时供丝系统以一定的速度将丝材送入碰头加热室，通过加热系统将丝材加热成熔融状态后由喷头寄出，沿着工件层轮廓涂抹XY面工作台上，同时工作台做Z向运动，没完成一个轮廓的扫描，工作台下降一个工作层的距离，以此循环扫描，最终形成物体模型。

2.2 成型工艺过程

FDM熔融堆积成型主要是系统根据零件的3D数据模型，将ABS或者PLA材料熔融，并通过挤压、扫描，一层层堆积最终形成实物的，其工艺过程如图1所示。

图1  FDM成型工艺过程

3、成型主要误差分析及解决措施

根据FDM快速成型熔融挤压堆积成形的基本原理及其成型工艺过程，影响FDM成型件精度的因素主要包括原始性误差、成型误差及后处理误差等，如图2所示。

 

图2 误差影响因素

3.1 预处理误差

3.1.1 文件拟合误差

FDM快速成型工艺的第一步就是将零件的3D数据模型转化为成型系统能够识别的STL格式，而STL数据模型是利用小三角面片来逼近实体模型，此过程采用近似法实现，本身破坏了零件3D数据的真实性。该方法在处理纯平面的实体模型时，基本没什么差别，但是在处理曲面时，却出现了较大的误差，特别是一些复杂的曲面模型，则会在交接处，出现缝隙、重叠和畸变等现象，从而导致了模型的精度下降。

3.1.2 切片分层误差

与传统的加工制造相似，快速成型之前也需要进行零件成型的工艺编制，并形成数控程序文件，该过程又引入了新的误差。

1) FDM的数控工艺文件用标准的CLI格式，该数据是采用近似逼近曲线的方式拟合零件层轮廓，该过程必然产生模型误差，降低了零件的成型精度。

2) 分层后的Z向误差。分层，即将零件的3D数据模型，根据一定的标准分为若干等分，一般我们设置为每层0.2、0.25、0.3等。当实体的模型正好为分层厚度的整数倍，增Z向尺寸误差极小，可不考虑。但是当其为非整数倍时，多出来的部分无论大小，将用一个分层厚度来填充，这将给零件加工前的处理进一步带来误差。当然对于简单的零件我们可以去一个刚好是整数倍的参数进行加工，但是成型件结构并不是是一成不变，这就要求我们有一个智能的分层系统，能够自行处理数据模型中的不同数据，以保证工艺文件精度最佳，从而保证加工精度。

3) 分层后的表面粗糙度问题。在对STL文件进行切片时，会破坏零件表面的连续性，同时丢失了层与层之间的数据，导致了模型的形状精度受到影响，同时在成型过程中将会引入阶梯误差，大大增大了零件的表面粗糙度。该情况可以减小分层厚度来削弱误差，但是会使加工效率大大降低。

3.2 成型过程中的误差

3.2.1 成型系统误差

   成型系统主要指的是加工设备的机械系统，其为成型过程的基础原件，其硬件设备的精度直接影响到成型精度。成型过程中主要是喷头沿XOY面的扫面运动及工作台的Z向运动，其误差主要包括以下两方面：

1) XY面的平面度及其与导轨的垂直度。该误差会使工件的形状精度受到影响。

2) Z向运动误差及定位误差。Z向的运动误差会使成型厚度不均，导致零件表面的阶梯误差变大，影响工件的表面粗糙度。

3.2.2喷头引起的误差

 喷头误差导致际成型件尺寸比设计尺寸大。在对STL文件进行分层时的二维轮廓线是理想轮廓状态，即零宽度，然而在加工的过程中，喷头喷出的熔融态丝是有一定宽度的，相当于挤出丝截面的宽度，所以当喷头沿理想轮廓线进行扫描时，最终形成的实体都会多出一个喷头线宽。

 

 

W-丝截面宽度   D-喷头直径   h-分层厚度   Vj-挤出速度    Vs-扫描速度

3.2.3材料收缩导致的误差

    FDM成型过程中材料经过加热熔融、挤出成型和冷却固化三个基本步骤，即固体一熔体一固体的物理变化过程，其主要产生热收缩和分子取向收缩两种。

    a、热收缩   即材料因其固有的热膨胀率而产生的体积变化，它是收缩产生的最主要原因，由热收缩引起的收缩量为：

 

    其中，β为材料的线性膨胀系数，／℃；L为零件x向尺寸，mm；△t为温差℃。

    b、分子的取向收缩，即由于高分子材料的不同取向使得成型件在xoy平面与z轴的尺寸收缩率是不同的。xy方向的材料收缩量为：

 

     β为考虑实际零件尺寸的收缩收到成型件形状、尺寸、成型过程的工艺参数设置以及每一层成型时间的长短的交互影响，可通过实验进行估算，δ1为材料xy方向的收缩率。

3.2.4 工艺参数误差

FDM成型过程中，影响成型件精度的工艺参数很多， 主要应考虑 11个比较重要的因素，即分层厚度、喷嘴直径、喷头温度、环境温度、挤出速度( 又称沉积速度) 、填充速度( 指轮廓扫描速度或打网格速度) 、理想轮廓线的补偿量、填充方式、网格间距、开启延迟时间、关闭延迟时间等工艺参数。很多研究者已经对各个工艺参数的含义进行了详细的阐述，这边不重复介绍，本文主要介绍主要工艺参数对成型件精度的影响。

1）成型温度包括喷嘴温度和环境温度，喷头的温度必须是使丝材保持在一个合理的熔融状态，并配合挤出速度等均匀挤出丝材，否则会导致出丝不均，从而使表面质量下降。而环境温度也同样影响成型件的表面粗糙度。如果温度过高，零件表面会产生“坍塌”与“拉丝”现象；如果温度太低，容易引起零件翘曲变形甚至是零件开裂等。

2）挤出速度和扫描速度分别指的是丝材挤出喷嘴和随喷嘴运动的速度，在快速成型过程中，二者应该处于一个合理的匹配范围，否则会造成材料的过剩或不足。如果挤出速度过快，丝层堆积，将使制件出现变形，或者在工件表面出现颗粒，甚至附着在喷嘴上，影响加工的顺利进行；如果扫描速度过快，会出现填充不满不均因等现象，严重影响制件精度。

3）成型方向。FDM快速成型对制件的成型精度影响很大，一般垂直与Z向的表面轮廓精度和表面粗糙度均有较高的质量，因此在成型过程中，最好将主要配合表面沿Z向成型，以确保制件质量处于最佳状态。

3.3 后处理误差

成型好的工件，还需要进行后处理，这样就会引入一些新的误差。如剥离支撑结构时表层的剥落与刮伤，对主要表面进行修补、打磨、抛光和表面处理时造成的尺寸精度和形状精度的变化等。

4、结论

本文章根据FDM快速成型的成型工艺，从数据模型预处理、成型过程及工件后处理三方面分析了影响成型件精度的各种因素，为成型过程提供一定的参考。

1）对于预处理误差，主要是3D数据模型及切片数控程序，需要考虑好加工精度和加工效率的关系，合理选择文件的类型及参数，以保证加工的合理进行。

2）成型过程中的影响因素较多。在确保设备及喷头精度的基础上，针对不同的材料及零件结构，合理选择成型参数及成型方向，主要保证工件的主要配合面，防止工件的翘曲变形、表面塌陷等现象，保证表面质量、形状精度及尺寸精度。

3）选择合理的后处理工艺，防止刮伤甚至是破坏工件，保证处理后的工件精度。

5、参考文献

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