三維打印零件的精度研究

1、 一、三維打印的精度分類一、三維打印的精度分類 三維打印系統(tǒng)的精度包括系統(tǒng)的硬件精度和系統(tǒng)制作的零件精度。詳細(xì)可分為： (1)數(shù)據(jù)處理精度數(shù)據(jù)處理精度 指從CAD模型切片分層切片信息處理的過(guò)程中發(fā)生的有用信息丟失，主要包括：CAD模型面化造成的數(shù)據(jù)誤差及切片分層造成的數(shù)據(jù)誤差。 (2)三維打印系統(tǒng)機(jī)器精度三維打印系統(tǒng)機(jī)器精度 此項(xiàng)精度指三維打印系統(tǒng)無(wú)負(fù)載運(yùn)行時(shí)，工作臺(tái)（包括X、Y、Z三軸）的定位精度和重復(fù)精度。 (3)原型及時(shí)檢測(cè)精度原型及時(shí)檢測(cè)精度 此項(xiàng)精度是指原型剛制作完畢時(shí)的精度。影響該項(xiàng)精度的因素有：系統(tǒng)機(jī)器精度；數(shù)據(jù)處理精度；成型工藝各參數(shù)；樹(shù)脂在成型過(guò)程中的收縮變形，該變形不可恢復(fù)

2、，它同零件的形狀、尺寸、樹(shù)脂的種類、制造過(guò)程的各參數(shù)值有關(guān)。 (4)原型延遲檢測(cè)精度原型延遲檢測(cè)精度 此項(xiàng)精度是指原型經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間的存放后的測(cè)量精度。由于受環(huán)境影響（如溫度、濕度、光線等）、成型材料的特性、以及成型過(guò)程中殘留在原型內(nèi)的應(yīng)力與應(yīng)變分布的變化，成型后原型會(huì)繼續(xù)發(fā)生變形，導(dǎo)致精度下降，因此，此項(xiàng)精度也是較為重要的一個(gè)指標(biāo)。 (5)原型最終檢測(cè)精度原型最終檢測(cè)精度 此項(xiàng)精度是指測(cè)量多次成型物的誤差，并重新設(shè)置成型工藝參數(shù)及進(jìn)行各種補(bǔ)償后所制作的最終原型的及時(shí)檢測(cè)精度。 (6)X、Y、Z向檢測(cè)精度向檢測(cè)精度 由于在X、Y、Z三個(gè)坐標(biāo)軸方向上，三維打印系統(tǒng)的控制精度會(huì)有所不同，且其它一些影

3、響因素也可能不盡相同，因此，原型沿三個(gè)坐標(biāo)軸方向的精度值有可能不會(huì)完全一樣，尤其是Z方向的精度最不易保證，應(yīng)該分別沿三個(gè)坐標(biāo)軸方向來(lái)檢測(cè)原型的精度。結(jié)合以上對(duì)三維打印的精度分類及定義，制定的三維打印系統(tǒng)及其零件的精度檢測(cè)流程見(jiàn)右圖所示 二、影響三維打印零件精度的因素二、影響三維打印零件精度的因素 三維打印的精度有數(shù)據(jù)處理精度、機(jī)器精度和不同時(shí)刻的零件精度。其中，數(shù)據(jù)處理精度是保證零件精度的前提，機(jī)器精度是保證零件精度的基礎(chǔ)，而零件精度不僅取決于機(jī)器精度與數(shù)據(jù)處理精度，還與成型材料性能及成型工藝等有很大關(guān)系。 此處把最終制作的處于室溫狀態(tài)下的零件與CAD模型或?qū)嵨锬Ｐ烷g的差異稱為成型誤差成型誤差

4、，它包括：數(shù)據(jù)處理誤差、三維打印機(jī)器誤差、成型材料及成型工藝造成的誤差，如下圖所示。 （1） 數(shù)據(jù)處理誤差數(shù)據(jù)處理誤差 三維打印系統(tǒng)在進(jìn)行分層處理前，需要對(duì)CAD模型進(jìn)行面化處理，即用若干三角形逼近實(shí)際模型表面，轉(zhuǎn)換為準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)文件格式STL文件，此過(guò)程造成了CAD模型內(nèi)外表面信息的丟失。 將CAD模型面化后，要對(duì)其進(jìn)行分層，是用一簇平行平面沿某一設(shè)定方向與面化模型求截交面得到輪廓信息，這一處理往往造成分層方向的尺寸誤差，如沿分層方向零件的尺寸不能被層片厚度整除時(shí)，必然引起尺寸誤差。因此，分層也造成了層面的內(nèi)外表面信息丟失。 從上述兩數(shù)據(jù)處理過(guò)程可看出，三維打印數(shù)據(jù)處理誤差主要體現(xiàn)為CAD模型誤差

5、及分層產(chǎn)生的階梯誤差。因該兩種誤差皆由三維打印原理引入的，我們稱之為原理誤差。 (2) 機(jī)器誤差機(jī)器誤差 機(jī)器誤差是導(dǎo)致原型精度的原始誤差，升降臺(tái)z向運(yùn)動(dòng)誤差影響層片迭加過(guò)程中的層厚精度，從而導(dǎo)致z方向的尺寸誤差；掃描機(jī)構(gòu)在水平面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)宏觀上表現(xiàn)為原型的形狀、位置誤差，微觀上則由于層片的“滑移”導(dǎo)致粗糙度增大。機(jī)器誤差在成型系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及制造過(guò)程中就應(yīng)盡量減小，因?yàn)樗翘岣咧萍鹊挠布A(chǔ)。 （3) 成型材料導(dǎo)致的零件誤差成型材料導(dǎo)致的零件誤差 成型材料的在成型過(guò)程中的收縮會(huì)導(dǎo)致三維打印零件有較大的制作誤差。因成型材料性能而導(dǎo)致的固化物變形稱之為固化變形。主要表現(xiàn)為：樹(shù)脂從液態(tài)到固態(tài)的相變而

6、出現(xiàn)的體積收縮變形；反應(yīng)釋放的熱量在已固化部分內(nèi)部的不斷積聚而使固化物產(chǎn)生的熱變形。 (4) 成型工藝導(dǎo)致的誤差成型工藝導(dǎo)致的誤差 三維打印成型工藝包括加工前的參數(shù)設(shè)置和掃描加工過(guò)程，而加工參數(shù)包括層厚、掃描速度、掃描間距、光能量、焦距等。三維打印工藝的掃描加工過(guò)程都是掃描機(jī)構(gòu)與加工工具協(xié)同工作的過(guò)程，該協(xié)同過(guò)程包括以下三個(gè)基本問(wèn)題： 1)掃描機(jī)構(gòu)的慣性問(wèn)題掃描機(jī)構(gòu)的慣性問(wèn)題 數(shù)控系統(tǒng)掃描機(jī)構(gòu)本身的慣性結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)能力的動(dòng)態(tài)特性，對(duì)其運(yùn)動(dòng)速度、加速度、減速度有一定的限制，因此在滿足這些限制的前提下，提高加工效率及加工質(zhì)量成為首要的問(wèn)題。 2)掃描速度與激光功率的實(shí)時(shí)匹配掃描速度與激光功

7、率的實(shí)時(shí)匹配 在掃描加工過(guò)程中，掃描速度在不斷變化，為保證切割質(zhì)量，激光功率也應(yīng)隨之變化，做到激光功率與掃描速度的實(shí)時(shí)匹配。要保證激光功率的實(shí)時(shí)匹配，首先需要具有可以控制激光功率輸出的激光電源。 3)掃描機(jī)構(gòu)與加工工具動(dòng)作時(shí)刻的一致性掃描機(jī)構(gòu)與加工工具動(dòng)作時(shí)刻的一致性 掃描機(jī)構(gòu)與加工工具具有不同的響應(yīng)速度。交流伺服系統(tǒng)的延遲反映了伺服電機(jī)的隨動(dòng)特性，盡管可以采取措施減小該延遲時(shí)間，提高系統(tǒng)的隨動(dòng)精度，但在高速掃描的情況下無(wú)法徹底解決。以上三個(gè)基本問(wèn)題及加工參數(shù)的設(shè)置都可能形成一定的誤差。三、補(bǔ)充內(nèi)容三、補(bǔ)充內(nèi)容FDMFDM成型精度的影響因素成型精度的影響因素 熔融沉積成型(FDM)技術(shù)的誤差可

8、以分為數(shù)據(jù)處理過(guò)程中產(chǎn)生的誤差、成型加工過(guò)程中產(chǎn)生的誤差和后處理產(chǎn)生的誤差，分別稱之為前處理誤差、加工成型誤差和后處理誤差。按照成型機(jī)的成型工藝過(guò)程，可以將產(chǎn)生誤差的因素按下圖所示分類。 1）前處理產(chǎn)生的誤差）前處理產(chǎn)生的誤差 數(shù)據(jù)處理即前處理是快速成型的第一步，是指從CAD模型獲得成型機(jī)所能接受的控制數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)精度直接影響RP原型的制作精度。在這一過(guò)程中產(chǎn)生誤差的原因主要有兩個(gè)，一個(gè)是CAD 模型的面型化處理即STL格式化帶來(lái)的誤差、一個(gè)是分層切片產(chǎn)生的誤差。 STL格式目前在快速成形領(lǐng)域被廣泛采用，是快速成型系統(tǒng)能夠接收的標(biāo)準(zhǔn)接口文件，它用許多細(xì)小的空間三角形平面來(lái)逼近還原CAD實(shí)體模型

9、，是三維實(shí)體模型的近似表達(dá)，即經(jīng)過(guò)表面三角形網(wǎng)格化處理后所得到的新三維實(shí)體模型是原三維實(shí)體模型的一種幾何近似，因而不管精度怎么高，也不能完全表達(dá)原表面，這種逼近誤差不可避免地存在。同時(shí)在離散化過(guò)程中采用分層切片處理，切片文件也采用SLI格式，是一種用線段近似逼近曲線的思想，所以在前處理過(guò)程中導(dǎo)致了雙重的精度誤差。 2）加工成型誤差）加工成型誤差 機(jī)器誤差機(jī)器誤差是成型機(jī)本身的誤差，是影響制造精度的原始誤差，在成型系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及其制造加工過(guò)程中要盡量減少。分析如下：(1)工作臺(tái)Z方向運(yùn)動(dòng)誤差直接影響沉積過(guò)程的層厚精度，最終導(dǎo)致Z方向的尺寸誤差，而工作臺(tái)在垂直面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)直線度誤差在宏觀上產(chǎn)生制件的形

10、狀、位置誤差，在微觀上面導(dǎo)致粗糙度的增大。(2) 在定位的時(shí)候，由于X-Y方向同步帶的變形，會(huì)影響定位的精度。(3)掃描過(guò)程中，在X-Y方向上換向階段，存在一定的慣性，導(dǎo)致工件變形，影響工件尺寸。(4)噴頭的運(yùn)動(dòng)定位精度和重復(fù)定位精度誤差引起的實(shí)際尺寸過(guò)大、微小曲面特征不能加工及堵絲等問(wèn)題。 材料的收縮變形材料的收縮變形是影響成型件精度的一大重要因素。FDM成型系統(tǒng)一般所用的材料為ABS樹(shù)脂，對(duì)于ABS樹(shù)脂這種熱塑性塑料，快速成型中要經(jīng)過(guò)加熱熔融、擠出成型和冷卻固化三個(gè)基本步驟，成形過(guò)程中材料會(huì)發(fā)生兩次相變過(guò)程：一次是由固態(tài)絲狀受熱熔化成熔融狀態(tài)；另一次是由熔融狀態(tài)經(jīng)過(guò)噴嘴擠出后冷卻成固態(tài)。在

11、固體一熔體一固體的物理變化過(guò)程中，材料會(huì)在凝固過(guò)程中出現(xiàn)收縮，其收縮主要表現(xiàn)為兩種：(1)熱收縮，即材料因其固有的熱膨脹率而產(chǎn)生的體積變化，它是收縮產(chǎn)生的最主要原因。(2) 分子的取向收縮，即由于高分子材料的不同取向使得成型件在xoy平面與z軸的尺寸收縮率是不同的。在成形過(guò)程中，熔態(tài)的ABS分子在填充方向上拉長(zhǎng)，又在隨后的冷卻過(guò)程中產(chǎn)生收縮，分子取向使得成型件在xy方向的收縮率大于與z方向的收縮率。 加工參數(shù)加工參數(shù)包括分層厚度、噴嘴直徑、噴嘴溫度、擠出速度、填充速度、填充方式、成型時(shí)間、噴絲寬度、延遲時(shí)間等。每一個(gè)加工參數(shù)均直接影響成型件的精度。如分層厚度較大時(shí)，原型表面會(huì)有明顯的“臺(tái)階”，

12、影響原型的表面質(zhì)量和精度；噴嘴直徑直接影響噴絲的粗細(xì)，一般噴絲越細(xì)，精度越高；若擠出速度過(guò)大會(huì)使得擠出的絲粘附于噴嘴的外圓錐面而不能正常加工等，加工參數(shù)較多，在此不一一詳述。 3）后處理產(chǎn)生的誤差）后處理產(chǎn)生的誤差 從成型機(jī)上取出已成型的模型后，需要進(jìn)行剝離支撐的結(jié)構(gòu)，有的還需要對(duì)工件進(jìn)行固化、修補(bǔ)、打磨、拋光和表面處理等，這些工序被統(tǒng)稱為后處理。后處理誤差可以分為以下兩種：(1)工件完成后，去除支撐時(shí)，可能對(duì)表面質(zhì)量產(chǎn)生影響。(2)制件的表面情況和機(jī)械的強(qiáng)度方面還不能完全滿足最終產(chǎn)品的要求。采用修補(bǔ)、打磨、拋光是為了提高表面質(zhì)量，表面涂覆就是為了改變制品表面顏色提高其強(qiáng)度和其它性能，但是在此過(guò)程中如果處理不當(dāng)都會(huì)影響原型的尺寸及精度，產(chǎn)生后處理誤差。四、推薦閱讀文獻(xiàn) 1汪程，王宏松.FDM成形精度分析及實(shí)驗(yàn)研究 2彭安華, 張劍峰, 張江林. FDM 工藝參數(shù)對(duì)制件精度影響的實(shí)驗(yàn)研究 3郭磊等. 提高FD