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FDM快速成型技术在产品设计中的应用研究

2018/2/14    来源:互联网    作者:吕明  钱施光  柴宇      
关键字:熔融沉积  快速成型  产品设计  成型质量  
本课题通过对熔融沉积快速成型(FDM)工艺参数中温度参数、支撑参数及速度参数等几个较为重要的参数因子进行实验研究,结合对多个试验件尺寸精度、表面粗糙度、表面硬度、抗压强度的测量数据,确定参数最优的取值范围或确切数值,找到工艺参数之间相互影响、相互作用的原理。同时在保证制件成型质量良好的前提下,确定工艺参数间的取值规律,例如送料速度、挤料速度及填充速度三者间在何种取值范围内才能得到最好的产品原型,同样在熔腔温度、喷嘴温度方面也要得出它们之间影响的取值范围区间,来确保成型设备的顺利工作并得到质量较好的产品原型。最后再根据全部实验数据最终要得出工艺参数取值的最优方案来提高产品设计的效率和准确性。

一 研究内容及目的与意义

1.1 研究内容

    课题针对的温度参数因子主要包括环境温度、喷嘴温度及熔腔温度;针对支撑实验因子主要包括支撑类型、结构,支撑生成方法及支撑栅格宽度等,就栅格宽度对支撑的成型质量的影响,做具体的实验测量其表面粗糙度,收集相关数据并分析各参数之间的影响关系;针对的温度参数因子主要包括送料速度、挤料速度及填充速度,这三种速度参数相互作用、相互影响,并对制件的成型质量产生极大的影响作用。在不同工艺参数设置的情况下加工得到不同的成型件,然后对其成型精度、表面粗糙度、表面硬度、抗压强度进行数据测量,整理分析,最后得出相应结论。

1.2 研究目的与意义

    (1)研究目的

    本课题针对FDM快速成型技术的工艺参数进行实验优化,主要包括温度参数、支撑参数、速度参数等实验因子,通过对试验件的测量数据来论证工艺参数的最优配置选择方案,从而增强产品模型、零件的表面质量、硬度、支撑强度及原型整体的抗压强度,提高成型效率、缩短生产制作周期,保证产品的合格率。

    (2)研究意义

    FDM成型技术的材料利用率高,而且加工方便、无污染,能有效地节约资源,环保是时下各行业的发展趋势,FDM工艺采用微滴技术而不是激光技术,对环境的保护起到了重要作用,同时对倡导的绿色制造绿色设计中材料的应用有着深远的影响。研究快速成型技术能提高产品原型、零件等制件的精度和强度,这对于产品设计的模型制作而言就显得格外重要,模型的制作会更加精细,便于设计者对设计作品全面的评价和把握,以便于获得更好的产品,对于产品开发和评价有着里程碑的意义。

二 工艺参数对成型质量影响的研究

2.1 温度参数的影响

    熔腔温度与喷嘴温度会对丝料产生巨大的影响,它们会引起材料黏度、流动性的变化。若温度过高则丝料状态越趋近于液体,就会造成丝料间黏接过度、而不能保证实际成型的尺寸要求;若温度过低则会造成丝料黏接不实,从而导致成型失败。那么如何来判定温度是否符合成型要求呢?在此笔者推荐“两看”的方法:第一看,要检查温度设置是否与材料的凝固点相匹配,一般情况下熔腔的温度要比材料的凝固点高1℃-2℃,而喷嘴温度比熔腔温度高10℃左右;第二看,先注意喷嘴出丝情况,若丝料离开喷嘴并伴随“拉丝”现象时则说明此时温度过高需要将其调低,然后再观察填充过程中丝料的色泽,若成形截面上的丝料色泽较深且黏稠则说明温度较高,若色泽浅且局部出现填充不上时则说明温度较低。运用此方法可以有效地对温度参数进行初步判定。

2.2 支撑参数的影响

    在成型过程中,如果上层截面大于下层截面时,多出部分则由于无材料的支撑将会出现悬浮现象,从而使截面部分发生变形或者塌陷,最终影响成型件的成型精度,甚至使成型件不能完整地成型。因此,如果没有支撑结构,在成型件完成成型之后,必然会破坏零件的底部结构。所以支撑作为一个基础,为成型件的后续加工起着至关重要的作用。

    FDM成型工艺在某些原型制作时需要同时制作支撑,对于FDM成型机单喷头而言,支撑的加工直接影响到加工成败、加工时间和表面质量等,而针对支撑的工艺参数中,栅格宽度值的变化也尤为重要。支撑的栅格宽度指的是相邻支撑路径间的距离。栅格宽度取值大小直接影响所产生支撑结构疏松程度和与零件的分离程度,也间接地影响到成型件能够完整加工出来以及成型质量。

2.3 速度参数的影响

    在FDM加工系统中速度参数主要包括三种,即送料速度、挤料速度、填充速度,这三种速度参数相互作用、相互影响,并对制件的成型质量产生极大的影响作用。送料速度主要是指固态材料通过送料器向熔腔传送的速度,一般情况下送料系统主要由送料辊、电机、螺杆等部分组成,在操作软件中可以通过调节电机转速来控制送料速度,材料在送料辊的传动下进入熔腔,再由螺杆旋转挤压至喷嘴处。在送料过程中,当送料速度过小时则材料不能被及时地送入熔腔中导致材料不足、出丝不均匀;而当送料速度过大时,则会出现熔腔内的材料过多产生堵塞,若继续送料则进料口处的材料就会发生弯曲变形,缠住送料辊使成型系统无法正常工作。因此送料速度参数的取值应在一个合理的范围内,而它的取值需要与挤料速度数值相匹配,这是因为送料系统与喷嘴紧是密连接的,送料速度与挤料速度相互影响,送料速度降低或升高时挤料速度也要相应地进行变化,以保证成型系统的正常运转。

三 FDM成型质量的实验研究

3.1 试验件设计

    实验步骤:首先用犀牛制图软件制作出待成型制件的三维模型,格式为.3dm,图1为三维模型、图2为零件的CAD尺寸图,大圆柱直径为30mm、厚度为4mm,小圆柱直径为20mm、厚度为2mm,成型后允许误差范围(-0.250,+0.250);将犀牛文件导出为.stl格式的文件,然后在成型加工软件中打开此文件,输入到成型机中,调节喷嘴高度(约一张A4白纸的厚度)和工艺参数数值后开始加工,最后得到制件,并对成型件进行尺寸和表面粗糙度的测量(图1,图2)。

    1

    图1 制件三维模型

    2

    图2 模型CAD尺寸图

3.2 速度参数影响成型质量的实验研究

    本组实验是为了观测在不同速度因子配合下,所得各个制件的成型质量变化情况,并得到合理的速度取值范围,所以速度因子的合理匹配就尤为重要。本次实验送料速度选择为30转/分钟,挤出速度为60mm/s,填充速度分别为26mm/s、28mm/s、30mm/s、32mm/s、34mm/s,得到成型试验件如图3所示。

    3

    图3 A组实验成型件

    (1)尺寸精度测量

    分别对A1-A5这5个制件进行尺寸测量,成型之后的模型尺寸均略微偏大,这正是由于材料的热膨胀性造成的,但各零件尺寸超出的部分均在允许误差范围内,所以成型件的尺寸精度基本符合设计要求,其中大、小圆柱直径尺寸做大误差分别为0.169mm、0.165mm,厚度最大误差则为0.167mm。同时可以得出,当填充速度逐渐升高时,各个模型的大、小圆柱及厚度的尺寸误差都逐渐增加,这是因为填充速度的提升使得喷嘴割断丝料的速度也随之升高,在填充相同一层截面时,填充速度越快其割断丝料的提前时间也就越长,导致了制件尺寸上存在较大的误差;而填充速度越慢,喷嘴的运动越稳定,成型件尺寸精度也就越高。

责任编辑:张纯子
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