FDM工艺参数对成型制品尺寸精度影响的研究

邬宗鹏

（安徽工业大学 工程实践与创新教育中心，安徽 马鞍山 243002）

摘 要：随着熔融沉积（FDM）的进一步应用，制品成型尺寸精度成为FDM在工业发展中的关键问题，本文介绍了FDM的工艺原理，阐述了FDM系统中的主要工艺参数，并通过成型设备及实验分析了它们对成型制品尺寸精度的影响.

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关键词 ：FDM；工艺参数；成型尺寸精度

中图分类号：TH161文献标识码：A文章编号：1673-260X（2015）01-0055-03

1 引言

熔融沉积(Fused Deposition Modeling，FDM)快速成型是一种基于喷射的成型技术，具有成本低、成型速度较快、无污染等特点[1].在FDM成型加工过程中，每一个环节都可能会引起误差，这些误差严重影响了FDM制品的成型尺寸精度，作为其中重要因素的工艺参数，将会直接引起成型制品尺寸精度的较大差别，因此在加工之前予以考虑.本文利用北京殷华GⅡA型快速成型机，通过制品加工试验，考察不同的主要工艺参数对制品尺寸精度的影响，以期为后续的成型制品精度分析提供理论参考依据.

2 FDM快速成型的工艺原理

熔融沉积是将丝状的热熔性材料加热溶化，通过带有一个微细喷嘴的喷头挤喷出来，其工艺原理如图1所示.

喷头装置在计算机的控制下，可根据加工工件截面轮廓的信息作X,Y平面运动，而工作台则作Z方向，即垂直高度的运动.热塑丝材（ABS、蜡丝及尼龙丝等）由供丝机构送至喷头，并在喷头中加热至熔融状态，然后被选择性地涂覆在工作台上，快速冷却后形成加工工件截面轮廓.当一层成型完成后，工作台下降一截面层的高度，喷头再进行下一层的涂覆，如此循环，最终形成三维制品[2].

3 FDM系统的主要工艺参数

在FDM快速成型系统中，尽管诸多因素对成型制品精度或加工时间都有或多或少的影响，但主要还是由少数几个工艺参数来控制的，本文选取了三个最重要的工艺参数在成型加工之前必须予以考虑,它们分别是分层厚度、填充线度、成型角度.

3.1 分层厚度

制品成型过程中每层切片截面的厚度.该参数与所用喷嘴类型有关，一般取0.15mm～0.4mm.

3.2 填充线度

层片填充线的宽度.它受到喷嘴直径、层片厚度、喷射速度、扫面速度四个因素的影响，需根据制品的实际情况进行调整.以合适的线宽造型，表面填充线应紧密相接而无缝隙，同时不能发生过堆现象.

3.3 成型角度

制品与成型室三维坐标系的夹角，如图2所示,α为长方体模型与XOY平面的夹角，即将长方体绕X轴旋转了一个α角[3].

4 工艺参数对制品尺寸精度的影响

4.1 分层厚度对尺寸精度的影响

分层厚度与挤出丝材的丝宽之间有较大关系，直接影响到制品的尺寸精度，为了研究其影响的程度，利用PRO/E三维软件设计尺寸为20mm×10mm×5mm的长方体模型，如图3所示，分别在分层厚度为0.2mm、0.3mmm、和0.4mm时成型，其余工艺参数取默认值，加工后的试件如图4所示.

成型前有关数据如下表1所示：

从表中可以看出随着分层厚度的增加，试验样件的成型层数变小，成型时间缩短，但重量却在增加.试件成型完毕后，即可关闭系统，下降工作台，为使系统充分冷却，将试件留在成形室内，静置30分钟后取出并去除支撑，然后用游标卡尺分别测量试件在X、Y、Z方向上的尺寸绝对误差值（测量值减去真值的绝对值），结果是分层厚度为0.4mm时，长方体在Z方向上（高度）的误差是0.8mm，而当分层厚度为0.2mm时，误差是0.35mm，其它方向误差间比较不大，为0.02mm.因此，分层厚度对制品成型方向（Z向）的尺寸有较大影响.

4.2 成型角度对尺寸精度的影响

当制品沿着一定角度成型时，为了研究其对尺寸精度的影响，使用20mm×10mm×5mm的长方体模型作为试验件，分别在0°、30°、60°、90°的成型角度上进行成型，分层厚度取0.3mm，其它参数取默认值，成型后的试件如图5所示.在经过充分静置和支撑材料去除后，用游标卡尺分别测量试件在X、Y、Z方向上的尺寸误差值，综合数据如表2所示.

从以上数据可以作出以下分析：

（1）成型时间随成型角度的改变而变化.制品加工前先是对其支撑材料的成型，那么角度的突然改变，必然导致支撑材料发生变化，从而成型时间产生差异.从成型并剥离得试验件可以看到30°的支撑材料明显多于60°如图6所示.FDM快速成型实际加工中是尽可能减少成型时间，如何选择合适的成型角度显得十分重要.

（2）随着成型角度的改变，试件在XYZ三个方向上尺寸误差不尽相同，其大小依次为Z＞X＞Y，分别对应试件的高、宽、长，试件的尺寸越小误差越大，尺寸越大误差越小.由于FDM设备喷嘴实际并不是一个微小的点，而是具有一定直径的孔，如图7所示，同时喷嘴在加工中扫描及换向速度不断变化，因此导致试件小尺寸方向的精细处缺失，特别是其边缘部分.

（3）由数据可知试验件在0°和90°成型时尺寸误差最小，即尺寸精度较高，0°到60°时，误差随角度的增加而相应增大，但从60°到90°时，误差又随角度的增加而减小，分析主要原因为阶梯误差造成，当试件在沿着一定倾斜角度成型时，将产生较大的阶梯误差，而0°和90°成型的阶梯误差则较小.

4.3 填充线宽对尺寸精度的影响

根据相邻填充线是否有间距，FDM快速成型制品的填充模式分为标准填充（无间隙）与孔隙填充（有间隙）两种.标准填充应用于制品的表面，各填充线紧密相接，没有缝隙.孔隙填充则应用于制品的内部，可很大程度上减少成型材料的重量.

成型丝材具有一定宽度，因此填充时存在填充线宽，那么其数值的改变必然对制品成型的尺寸精度会产生影响，为了研究其影响程度，依然使用20mm×10mm×5mm的长方体模型作为试验件，分别在填充线宽为0.2mm、0.5mm、0.8mm、1mm时成型，分层厚度取0.3mm，其它参数取默认值，成型后的试件如图8所示.在经过充分静置和支撑材料去除后，用游标卡尺分别测量试件在X、Y、Z方向上的尺寸误差值，综合数据如表3所示.

从图中可以清晰地看到0.2mm的填充线宽试验件成型失败，丝材发生过堆现象，并出现焦黄颜色，试件尺寸及表面质量产生严重误差，分析主要原因是受到喷嘴直径的影响，北京殷华GⅡA型为0.4mm，当成型材料熔融态被挤出时，丝线实际直径会比喷嘴直径大，所以让其数值变成只有喷嘴直径一半是无法实现的事情，因此0.2mm不作为影响尺寸精度的考虑参数.

观察表3的尺寸误差数据可知，填充线宽的改变对试件的Z向（即长方体高）尺寸没有影响，而是对试件的X和Y向（即长方体的宽和长）尺寸产生影响，随着填充线宽的增大，试件的X与Y向的尺寸误差相应变大.由此得出结论，填充线宽的设置需根据成型设备和制品模型实际情况进行调整，以合适的线宽造型，保证制品的尺寸精度.

5 结束语

在FDM快速成型加工中，尺寸精度影响着最终制品的质量，它们对FDM技术能否拓展到更多应用领域起着关键性甚至是决定性作用.本文针对目前FDM快速成型制品尺寸精度不高的情况，对影响FDM快速成型主要工艺参数进行了分析，通过试验研究了它们对制品的尺寸精度的影响，实践证明，利用上述试验的结果能够很好地实现主要工艺参数的合理控制与设置的目的.

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参考文献：

〔1〕刘伟军.快速成型技术及应用[M].机械工业出版社，2005.12.

〔2〕莫建华.快速成型及快速制模[M].电子工业出版社，2006.155.

〔3〕王广春，赵国群.快速成型与快速模具制造技术及其应用[M].北京：机械工业出版社，2009.1.