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熔融沉积快速成型精度及工艺分析

2017/6/22    来源:互联网    作者:朱政红  谢卓      
关键字:熔融沉积  成型精度  工艺分析  
熔融沉积成型技术(FDM)是一种典型的快速成型技术,成型件的精度由于受多种因素的影响,使制件质量难以保证,这也是影响FDM发展的主要因素。本文分析了影响成型件精度的因素,并根据实际加工提出了提高成型精度和表面质量的措施。

    引言

    随着我国经济的不断快速发展,尤其是近几年,市场环境发生了很大的改变,人们对工业产品的要求越来越高,这就对制造厂商提出了较高的要求,不仅要满足消费者个性化的需求,还要尽可能的减少生产周期,并且保证工业产品的质量,设计出符合人们要求的产品。随着全球市场一体化的进一步形成与完善,制造业不断向信息化发展,快速成型技术应运而生。快速成型技术解决了传统制造方法的缺点,以一种全新的制造思想、极快的制造速度和灵活多变的产品模型而受到极大关注,适应了时代发展的要求,这种快速成型技术具有较多的优点,不仅可以提高生产效率,还成功地实现了原型制造的自动化,将计算机辅助设计、数字控制等先进技术融合在一起。快速成型技术适应了时代发展的要求,缩短了市场开发周期,降低了企业开发成本,提高了企业的产值,是近年来制造技术领域中最热门的研究热点之一。

    1 熔融沉积快速成型的特点

    熔融沉积快速成型(FDM)发展如此迅速,主要是因为它有以下其它工艺无法比拟的优点:①熔融沉积快速成型技术不使用激光,这样不仅操作简单,而且企业的制造成本也较低。②熔融沉积快速成型技术采用的是塑料丝材,这种材料与其他材料相比更加容易清洁,也便于后期的更换,这是FDM工艺的主要优点,尤其是与粉末和液态材料工艺相比,这种丝材不会在设备中形成粉末或液体污染。FDM工艺另一个主要的优点是其材料性能,其ABS原型强度可以达到注塑零件的1/3,最近又出现了几种新型材料,PC、PPSF等,这些材料可在某些特定场合下直接使用,随着材料性能和工艺水平的进一步提高,会有更多的FDM原型在各种场合直接使用。③后处理简单。熔融沉积快速成型技术仅需要几分钟到一刻钟的时间剥离支撑后,原型即可使用。④成型速度较快。一般来讲,FDM工艺相对于其他工艺来说,速度是比较慢的,但是其也有一定的优势。当对原型强度要求不高时,可通过减小原型密实程度的方法提高FDM成型速度。

    2 熔融沉积快速成型精度的影响因素分析

    熔融沉积快速成型(FDM)工艺不用激光,使用简单,制造成本较低,尤其是最近几年,该工艺发展极为迅速,目前FDM系统在全球已安装快速成形系统中的份额大约为40%,具体FDM流程如图1所示。

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    图1 FDM流程图

    2.1 原理性误差

    (1)CAD模型拟合成STL文件时的误差。我们在快速成型领域中经常用到STL文件格式,STL文件数据处理是将模型离散为多层轮廓,再以各种方式填充一个复杂的模型,通过转换后产生的STL文件包含百万个三角形面片。尤其是当多个曲面进行三角化时,在曲面相交处会出现较多的错误和缺陷,这样就大大降低了模型的精度,不过我们可以增加一定数量的三角形面片来达到减少几何误差的效果,这样就可以在很大程度上提高模型近似精度。一般情况下采用弦高来控制几何误差,ε表示弦高,指的是近似三角形的轮廓边与曲面之间的径向距离,如图2所示。

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    图2 STL文件格式误差

    (2)切片过程中的误差。通过对实体进行分层处理,不仅可以简化工艺,同时完全解决了加工中的几何干涉问题。但是每一个切片层之间存在一定的距离,这样就破坏了模型表面的连续性,而且分层的厚度越大,两切片层间的信息丢失的就越多,这样就导致原型不仅会产生形状误差,也会产生较大的尺寸误差。

    2.2 成型过程中的误差

    在FDM工艺成型过程中,误差主要存在于FDM设备自身固有工艺参数中或者用户设定的工艺控制参数中,不同的工艺参数造成的加工时间不同,并且不同的工艺参数造成的成型精度也有很大的差别。

    (1)成型温度。成型温度包括两个部分:①环境温度;②喷嘴温度。环境温度是指系统工作时原型周围环境的温度,通常是指成型室的温度。环境温度主要影响成型工件的表面质量,如果温度太低,就会使成型零件热应力增加,容易引起零件翘曲变形,并且在较低温度下,挤出丝冷却速度快,前一层截面已完全冷却凝固才开始堆积后一层,导层间粘接不牢固,零件会出现开裂;如果温度过高,前一层的丝还没有完全固化,后一层丝就开始往上堆积,就会使零件表面产生“坍塌”现象。喷嘴温度是指喷嘴加热到一定值时的工作温度,一般情况下,喷头的最佳温度是使丝材保持在熔融状态,熔融状态是指处于固态与液态之间的状态,使材料的粘性系数保持在一个稳定的范围之内,如果丝的挤出速度合理的话,就会均匀出丝,避免发生层面剥离的现象。

    (2)挤出速度和扫描速度。挤出速度指的是丝材挤出喷嘴的速度,而扫描速度指的是丝材随喷嘴运动的速度,因为成型件的每一层都是封闭的几何边界,并且每一封闭的几何边界都存在起停点,挤出速度和扫描速度要有一个合理的匹配范围,这样就可以避免材料的过剩或不足,才会得到较高的制件精度,如果挤出速度和扫描速度小于这个合理的匹配范围,就会产生“拉丝”或者“断丝”的现象,严重影响制件精度;如果挤出速度和扫描速度超出这个合理的匹配范围,就会导致制件变形,引起喷嘴“碳化”或者“粘附”现象,阻碍下一步的加工,所以挤出速度和扫描速度都要有一个合理的范围。

    (3)延迟时间。延迟时间包括开启时出丝延迟时间和关闭时断丝延迟时间两个部分。当打开开关时,送丝机构开始送丝,但是喷嘴有一定的延时,不立即出丝,我们把这一段时间称为出丝延迟时间;当送丝机构停止送丝,然而喷嘴仍在喷料,不立即断丝,有一定的延时,我们把这一段时间称为断丝延迟时间。当出丝延迟发生时,会造成欠堆积现象;当断丝延迟发生时,造成过度堆积现象,形成“节瘤”,所以不仅需要优化出丝延时还需要优化断丝延时,距起点多远开始送丝,就距终点多远断丝。

    (4)填充方式。填充方式对制件的影响较大,不仅关系到成型时间,也与制件的机械性能息息相关,其中填充间距是至关重要的一项因素,如果填充间距过小,就可以大大提高制件的机械性能,但是也会产生负面影响,使加工时间较长,增加成本;如果填充间距过大,虽然可以减小加工时间,降低成本,但是也会大大减弱制件的机械性能,一般情况下,我们采取1.5mm填充间距。

    2.3 后处理过程的误差

    一般情况下,为了提高制件的质量,需要对已经成型的工件进行后处理,一般都需要打磨、抛光和表面处理,如果成型件有支撑结构还需要剥离支撑结构,在处理过程中一般会出现以下几种误差:

    (1)由于支撑结构与工件紧密结合,很难去除,所以在去除支撑结构的过程中,往往会影响到工件的表面质量,如果操作不当,就会导致工件表面被划伤。为了解决这一问题,我们可以采用水溶性材料,这样就可以很好的去除支撑结构,但是这种方式价格较高。所以,我们在设计成型件之前,就要首先考虑支撑方式,把支撑间距控制在一个合理的范围之内,一般支撑间距为3mm,并且在选取成型方向时,要选择合理的成型角度,这样就可以在很大程度上避免在去除支撑结构的过程中对工件的影响。

    (2)由于工件周围环境会随时间发生变化,并且环境等因素对加工好的工件影响较大,为了防止温度、湿度等导致的工件变形,影响成型精度,所以应当尽量保持工件的周围环境,一般快速成型的固化时间为8天,这8d之内应该尽量保持工件的周围环境保持不变。

责任编辑:张纯子
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