基于FDM的快速成型质量的研究

快速成型(Rapid Prototyping,RP)从零件的CAD几何模型出发,通过分层离散软件和数控成型系统,用特殊的工艺方法(熔融、烧结、粘结等)将材料堆积而形成实体零件,故也称为增材制造或分层制造技术，快速成型的过程如图1所示。RP技术可以在没有模具和工具的条件下生成几乎任意复杂的零部件,极大地提高了生产效率和制造柔性,所以广泛应用于制造领域的各个行业,以及医疗、人体工程、文物保护等行业的新产品(包括产品的更新换代)开发的设计验证和模拟样品的试制上。

图1 快速成型过程

    熔融沉积制造(Fused Deposition Modeling,FDM)是将各种热塑性丝状材料由供丝机构送至热熔喷头,并在喷头中加热和熔化成半液态,然后被挤压出来,有选择性地沉积在工作台上,快速冷却后形成一层薄片轮廓。一层截面成型完成后,工作台下降一定高度,再进行下一层的熔覆,好像一层层“画出”的截面轮廓,如此循环,最终形成三维产品零件。成型方向的选择和成型参数的选择直接影响了FDM原型的质量。
1 成型方向
    在熔融沉积制造工艺中,STL模型的如何放置决定了成型方向,成型时每层的叠加方向不同,会影响所加工产品的质量和成型的时间,具体表现在支撑处理、台阶效应、成型精度等方面。
    (1) 支撑 如果产品零件上层截面区域大于下层截面区域时,在成型过程中可能需要添加支撑。使产品加工时间长,材料消耗大。处理难度提高,并在表面留下痕迹，严重降低支撑部分表面质量。因此在加工时应合理选择成形方向,尽量减少支撑。
    (2) 台阶效应 在成型的高度方向上,用微小的直线段(层厚)来逼近曲线轮廓,在产品表面造成“台阶效应”,引起的误差会对产品表面的精度及粗糙度产生很大影响。对于倾斜方向表面出现的台阶效应更明显,如图2所示。

图2 层厚的台阶效应

    (3) 成型精度 由于加工的高度方向(Z方向)成型比较致密,该方向上的变形小于加工平面(XY平面)的变形,因此,选择成型方向时尽量把精度要求高的方向选为Z方向,即竖直方向,并且同时应考虑台阶效应。
    实际加工时,要综合多方面,选择优化原则是:尽可能地使零件具有较少的斜面,以减少零件的台阶效应;使零件具有较少的悬臂结构,减少支撑;尽量减小零件的高度,以减少零件的制作时间。
    在确定成型方向时,必须根据成型零件的具体要求综合考虑。如果制作原型件的主要目的是进行外观评价,那么选择成型方向时,则应把保证原型表面质量放在首要位置来考虑;如果制作原型的目的是为了装配检验,则应首要考虑的是装配结构的成型精度,至于表面质量则可通过后处理的打磨来保证。
2 成型参数
    成型参数包括STL模型的分层参数和设备成型的工艺参数。影响FDM原型质量的主要参数有：
    (1) 分层厚度.由层厚带来的“台阶效应”影响零件的表面光顺度和零件的强度.当分层厚度一定时,成型方向与成型表面法矢间的夹角越小,台阶效应对零件的影响越大;分层厚度越小,表面的质量越高,但随之带来的是成型时间变长,加工效率低.而分层厚度越大,台阶效应越明显,表面质量也就越差。
    (2) 喷头温度和成型室温度的影响.喷头温度决定了材料的黏结性能、堆积性能、丝材流量以及挤出丝宽度.喷头温度应根据丝材的性质在一定范围内选择,以保证挤出的丝呈熔融流动状态.成型室的温度会影响到成型件的热应力大小,温度过高,虽然有助于减少热应力,但零件表面易起皱;而温度太低,从喷嘴挤出的丝骤冷使成型件热应力增加,容易引起零件翘曲变形.为了顺利成型,应该把成型室的温度设定为比挤出丝的熔点温度低1～2 ℃。
    (3) 挤出速度与填充速度.挤出速度是指丝在送丝机构的作用下,从喷嘴中挤出时的速度.填充速度则是指喷头在运动机构的作用下,按轮廓路径和填充路径运动时的速度.如果填充速度与挤出速度匹配后出丝太慢,则材料填充不足,出现“断丝”现象,难以成型;相反,填充速度与挤出速度匹配后出丝太快,熔丝堆积在喷头上,使成型面材料分布不均匀,表面会有“疙瘩”,影响造型质量.所以,应根据具体情况,将挤出速度和填充速度进行合理匹配。
    (4) 理想轮廓线的补偿量.由于喷丝具有一定的宽度,造成填充轮廓路径时与实际轮廓线不重合.故在生成轮廓路径时,对理想轮廓线进行补偿.从理论上来说,补偿量应当是挤出丝宽度的一半.而工艺过程中挤出丝的形状、尺寸受到喷嘴孔直径、分层厚度、挤出速度、填充速度、喷嘴温度、成型室温度、材料黏性系数及材料收缩率等诸多因素的影响,因此,挤出丝的宽度并不是一个固定值
    (5) 延迟时间.延迟时间包括出丝延迟时间和断丝延迟时间。当送丝机构开始送丝时,喷嘴不会立即出丝,而有一定的滞后,把这段滞后时间称为出丝延迟时间。同样当送丝机构停止送丝时,喷嘴也不会立即断丝,把这段滞后时间称为断丝延迟时间。在工艺过程中,需要合理地设置延迟时间参数,否则会出现拉丝太细,黏结不牢或未能黏结,甚至断丝、缺丝的现象,或者出现堆丝、积瘤等现象,严重影响原型的质量和精度。
    理想轮廓线的补偿量、喷头温度和成型室温度是在设备的系统参数中设定的,其他参数可以在分层参数和成型工艺参数中设定。
3 表面主要质量问题的分析及解决方法
    通过大量的实验,针对FDM原型在表面上存在的质量问题提出了相应的解决方法。
    (1) 一些小截面(如细长的轴)的原型,表面有“疙瘩”。这是由于成型面积小,一层的成型时间太短,前一层还没来得及固化成型,下一层就接着再堆,引起“坍塌”和“拉丝”现象。解决的办法是采用多个零件同时成型,增加每一层的成型面积,延长每一层的成型时间,实验结果表明质量得到明显改善,同时还可以缩短每个零件的平均成型时间,提高成型效率。
    (2) 起点“拉丝”,在零件表面上形成一竖直的“疤痕”。FDM是利用逐层叠加技术来进行加工的,这一逐层叠加技术是由成型细丝融化堆积成薄层的一个过程.由于整个零件是在一个由丝杠控制的活塞上制作的,丝杠带动活塞上下移动,当制作完一层后活塞下降,为下一层制作留出层厚所需的空间,自下而上制作一个零件.在加工每一层的过程中,FDM喷头从一点出发,涂完本层后又回到这一点.当FDM喷头从一点出发回到这一点即完成了本层的时候,它必须剪断材料,以便活塞下降,开始下一层的加工。当到达终点时,材料的进给机构停止进给,喷头沿本层曲线的切线方向运动一段距离以使材料断裂。然而,材料总是有黏性的,因此,在起点也就是终点的地方就必然会产生“拉丝”。“拉丝”现象大大破坏了零件的表面成型质量.通过实验发现,增加延长结束暂停时间也可改善这一现象,但不能完全消除。
    (3) 薄壁零件加工中的“间隙”问题。FDM在层叠加工过程中，每一层由三种路径组成:轮廓、填充、支撑。对于薄壁零件，可能它的厚度仅比两层轮廓多一些，而中间的成型空间又不够插入一个填充，这样成型出来的薄壁中间将有一个小的缝隙，造成零件强度和精度的极大降低。对于这类问题解决途径有：在保证零件功能的情况下，适当地改变壁厚，使壁厚约为挤出丝宽的整数倍。如果壁很薄，不做填充，增加轮廓扫描次数，使轮廓正好相接，从而使间隙消除；也可减小填充的间隔，使两层轮廓中间正好能容纳另外一层填充，使中间的间隔得以消除。
4 结论
    快速原型的质量是快速成型技术研究的关键之一。由于FDM工艺是一个涉及CAD／CAM、数据编程、材料编制、材料制备、工艺参数设置及后处理等环节的集成制造过程，每一个环节都会引起误差，这些误差严重影响了FDM原型件的质量。所以，在实际制作的过程中，根据实际设备的具体情况，成型件的结构特点和要求，制订较优的成型方案，选择合理的分层参数和设备的工艺参数，减少每一环节的误差，从而提高成型件的质量。

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