浙江大学3D创客中心 Make It Possible

影响FDM精度的因素

 转自   网络资源

 

    一、FDM模型制件精度的影响因素 
    FDM工艺是一项涉及CAD/CAM、数据编程、材料编制、材料制备、工艺参数设置与后处理等环节的集成制造过程。每一个环节都会引起误差,严重影响FDM成型件的精度,阻碍了其在功能元件制造过程中的应用与推广。以下是几个主要影响因素:
    1、材料性能及影响因素
    FDM材料的性能将直接影响模型的成型过程及成型精度,其在加工过程中要经过固体——熔体——固体两次相变过程,在第二次相变过程中,冷却收缩,会导致应力集中材料变形,继而影响材料的成型精度。


    2、喷头温度的设定及影响因素
    喷头温度影响材料的丝材流量、挤出丝宽度、粘结性能及堆积性能等。温度过低,丝材粘度就会加大,挤出丝速度变慢,会导致喷头堵塞,同时丝束的层与层之间粘结强度也会降低,可能导致层与层之间的剥离;温度过高,材料趋于液态,粘性系数变小,流动性变强,会导致挤出速度过快无法形成精确控制的丝束,在加工制作时可能会出现前一层的材料尚未冷却,后一层就铺覆在前一层的上面,使得前一层材料出现坍塌现象。因此,喷头温度的设定非常重要,要根据每种丝束的性质在一定的范围内进行恰当地选择,保证挤出的丝束成正常的融熔流动状态。 


    3、挤出速度的选择及影响因素
    挤出速度是指喷头内熔融状态的丝束从喷嘴挤出时的速度。若挤出速度增大,挤出丝的截面宽度就会增大,当挤出速度达到一定值,挤出的丝束粘附在喷嘴外圆锥面,形成“挤出胀大”现象,出现这种情况就不能进行正常加工。
    4、分层厚度的合理选择
    分层厚度是指在成型过程中每层切片截面的厚度。由于每层有一定的厚度,会在成形后的实体表面产生台阶现象,直接影响成形件的尺寸误差与表面粗糙度。通常情况下,分层厚度越大,模型表面产生的台阶高度也就越大,表面质量会越差,但加工效率会提高。反之,加工效率会变低。此外,为了提高成形精度,加工完成后,会进行相应的打磨抛光处理。
    5、扫描方式的合理选择
    FDM成形方法中的扫描方式有很多种,如回转扫描、偏执扫描、螺旋扫描等。通常情况下可以采用复合扫描方式,即模型的外部轮廓用偏置扫描,模型的内部区域采用回旋扫描,这样既可以提高表面精度,又可以简化整个扫描过程,也提高了扫描效率。


    6、CAD/CAM导致的误差
    大多数快速成型系统采用实体CAD模型的准标准STL文件格式来定义被成形零件。可是,用一系列三角形面片近似空间三维曲面时会带来尺寸、形状及表面误差。尽管增加面片数目可以提高精度减小误差,但同时引起STL文件变得庞大以及加工时间延长。
    7、喷头导致的误差
    STL格式的的三维模型通过分层切片处理后,层片文件的轮廓线宽度为零。然而,在实际加工过程中,挤出丝是有一定宽度的,喷头沿层片文件的理想轮廓线运动形成的实体会多出一个喷嘴半径的宽度。理论上讲,可以在工艺控制软件中通过理想轮廓线的补偿而形成实际加工轮廓线来消除此种误差。但补偿值一旦设定就不会变化,而挤出丝截面宽度会随着挤出速度、填充速度等因素的变化而变化。另外,喷头的开关控制采用机械式转阀,存在速度响应的问题,会在成形件上积聚成节瘤,或者形成空缺,都会导致成形件的误差。


    8.送死机构松动造成丝材滑丝
    在FDM快速成型系统中由控制信号使送死机构工作,通过电机驱动驱动轮,缠绕在丝盘上的丝材经牵引到两个驱动轮之间被夹住,依靠两个驱动轮旋转时产生的摩擦力将丝材送往喷头内,通常的送死结构对辊的间距是固定的,经过一定时间的使用,固定件容易产生松动,对辊的间距产生变化,存在不方便换丝和产生滑丝现象的缺陷。
    9.喷头阻塞的影响
    基于FDM技术的快速成型系统,通常的导丝管有金属材料制成,导丝管一端连接加热部件和喷嘴,由于金属是热的良导体,导致导丝管的进丝端温度过高,致使熔丝在丝管内软化,造成送丝机构在喷头内产生的压强不足,导致堵塞而无法继续传送丝材。


    二、提高FDM原型精度的措施
    1、通过软件(如Geomagic Studio)对STL文件修复,提高面片质量,减少CAD模型离散化过程中的精度损失。
    2、选择合适的工艺参数,包括层厚、补偿量、挤出速度、填充速度、开启/关闭延时,喷头温度、成型室温度及丝材。
    3、改变成型零件的方位,减小原型断面长度。精度要求较高的表面通常以垂直方向成型。较不重要的表面通常以水平方向成型,就像是顶端或底端的表面。

    4、增加基底厚度,增大填充间隔,可以减小内应力,减小物件弯曲形变的程度。

    5、保持平台的干净,校准好Z轴打印的初始高度


    三、进行FDM工艺参数优化的原因
    1987年,3D Systems公司推出了世界上首台基于SLA工艺的商业化快速成形系统,从那以后,RP技术发展迅猛。1992年,Stratasys公司开发出第一台基于FDM工艺的商业机型3D-Modeler。使用RP技术,把概念设计置于昂贵的模具制造这一工序前,能给设计和制造人员仔细校验及修改设计的机会,从而缩短产品上市时间、降低成本和改善产品质量,因此这一技术已成为新产品开发的一个有机组成部分。
    为了使快速成形技术从经济和技术上变得更有吸引力,就得在进一步减少成形时间而又不增加昂贵的开发成本的同时,提高成形件的精度。一个不改动设备硬件及软件结构而又能达到上述目标的经济的办法是:对于给定的快速成形系统,优化它工艺过程的控制参数,因为工艺参数的合理调整组合,可在不增加费用的情况下,大幅度改善成形件质量及大大缩短加工时间。所以研究的首要问题就是合理地设计试验方案,以达到预期的目的。


    四、FDM主要的工艺参数
    在FDM快速成型系统中,共有12个比较重要的因素应在成形之前予以考虑,它们是:分层厚度、喷嘴直径、喷头温度、环境温度、挤出速度、填充速度、填充方式、网格间距、理想轮廓线的补偿量、偏置扫描中的偏置值、开启延迟时间、关闭延迟时间。另外还有丝的材质、是否有加密层及其参数设置、单边还是双边给成形室吹热风、在加工小零件时有无在当前成形面上吹冷风强制冷却、空行程速度、工件相对于工作台面的几何成型角度、是否加工支撑等因素,都会以各种方式影响到成形件的质量和加工时间。值得一提的是,上述因素中有些如挤出速度、喷头温度、环境温度、网格间距、填充方式等,通常被用来或一般只用于考察成形件的机械性能,如硬度、刚度和粘结强度等。通过初步观察及作者长期操作FDM快速成形系统的经验,可以发现,尽管上述各因素对成形件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。在本研究中,选择6个工艺参数作为主要的影响因素,检查它们单独或交互作用对成形尺寸、几何精度及表面粗糙度的影响。它们是层厚、补偿量、挤出速度、填充速度、开启延时和关闭延时。


    五、标准测试件的设计原则
    为了合理确定精度,需设计一个标准测试件即基准件,使其具有一般的尺寸、几何特征及标准粗糙度特征,以此来评估FDM工艺的精度。设计测时间的原则是:
    (1)包含产品中常见的形体特征,也即基本的实体造形元素,它们是生成较复杂实体模型的基础。如棱柱体、圆柱体、圆锥体、半球体和圆环体;

    (2)几何特征本身易于测量,彼此之间的空中布局应合理一来可便于仪器测量,二来防止测试件上某局部区域特征集中时,由于该区域“加工密度大”会产生严重的翘曲变形;
    (3)测试件上的特征要有不同的尺寸范围,且尺寸大小满足一定的要求,以减少测量过程本身引起的误差;
    (4)在X、Y、Z方向应有不同的角度特征,成形方向依据是否加支撑可设计悬臂结构;
    (5)在成形方向应有变截面或倾斜面,以反应“台阶效应”;
    (6)依据成形时间和材料消耗来看经济性,以确定测试件及其特征的尺寸大小和比例。

Tags: 3D打印机 FDM

发布: maker 分类: maker课堂 评论: 0 浏览: 0
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