三維打印零件精度研究

三維打印零件的精度研究

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)處理精度指從CAD模型→切片分層→切片信息處理的過程中發(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)器精度此項(xiàng)精度指三維打印系統(tǒng)無負(fù)載運(yùn)行時，工作臺（包括X、Y、Z三軸）的定位精度和重復(fù)精度。(3)原型及時檢測精度

此項(xiàng)精度是指原型剛制作完畢時的精度。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)；樹脂在成型過程中的收縮變形，該變形不可恢復(fù)，它同零件的形狀、尺寸、樹脂的種類、制造過程的各參數(shù)值有關(guān)。(4)原型延遲檢測精度

此項(xiàng)精度是指原型經(jīng)過較長時間的存放后的測量精度。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指標(biāo)。(5)原型最終檢測精度

此項(xiàng)精度是指測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檢測精度。(6)X、Y、Z向檢測精度

由于在X、Y、Z三個坐標(biāo)軸方向上，三維打印系統(tǒng)的控制精度會有所不同，且其它一些影響因素也可能不盡相同，因此，原型沿三個坐標(biāo)軸方向的精度值有可能不會完全一樣，尤其是Z方向的精度最不易保證，應(yīng)該分別沿三個坐標(biāo)軸方向來檢測原型的精度。結(jié)合以上對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流程見右圖所示

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，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)處理誤差三維打印系統(tǒng)在進(jìn)行分層處理前，需要對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，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)器誤差是導(dǎo)致原型精度的原始誤差，升降臺z向運(yùn)動誤差影響層片迭加過程中的層厚精度，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)計及制造過程中就應(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的在成型過程中的收縮會導(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：樹脂從液態(tài)到固態(tài)的相變而出現(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程都是掃描機(jī)構(gòu)與加工工具協(xié)同工作的過程，該協(xié)同過程包括以下三個基本問題：

1)掃描機(jī)構(gòu)的慣性問題數(shù)控系統(tǒng)掃描機(jī)構(gòu)本身的慣性結(jié)構(gòu)、驅(qū)動電機(jī)的驅(qū)動能力的動態(tài)特性，對其運(yùn)動速度、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)量成為首要的問題。

2)掃描速度與激光功率的實(shí)時匹配在掃描加工過程中，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)時匹配。要保證激光功率的實(shí)時匹配，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)與加工工具動作時刻的一致性掃描機(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)的隨動特性，盡管可以采取措施減小該延遲時間，提高系統(tǒng)的隨動精度，但在高速掃描的情況下無法徹底解決。以上三個基本問題及加工參數(shù)的設(shè)置都可能形成一定的誤差。三、補(bǔ)充內(nèi)容——FDM成型精度的影響因素

熔融沉積成型(FDM)技術(shù)的誤差可以分為數(shù)據(jù)處理過程中產(chǎn)生的誤差、成型加工過程中產(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。在這一過程中產(chǎn)生誤差的原因主要有兩個，一個是CAD模型的面型化處理即STL格式化帶來的誤差、一個是分層切片產(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逼近還原CAD實(shí)體模型，是三維實(shí)體模型的近似表達(dá)，即經(jīng)過表面三角形網(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。同時在離散化過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，所以在前處理過程中導(dǎo)致了雙重的精度誤差。2）加工成型誤差

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)計及其制造加工過程中要盡量減少。分析如下：(1)工作臺Z方向運(yùn)動誤差直接影響沉積過程的層厚精度，最終導(dǎo)致Z方向的尺寸誤差，而工作臺在垂直面內(nèi)的運(yùn)動直線度誤差在宏觀上產(chǎn)生制件的形狀、位置誤差，在微觀上面導(dǎo)致粗糙度的增大。(2)在定位的時候，由于X-Y方向同步帶的變形，會影響定位的精度。(3)掃描過程中，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)動定位精度和重復(fù)定位精度誤差引起的實(shí)際尺寸過大、微小曲面特征不能加工及堵絲等問題。

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樹脂，對于ABS樹脂這種熱塑性塑料，快速成型中要經(jīng)過加熱熔融、擠出成型和冷卻固化三個基本步驟，成形過程中材料會發(fā)生兩次相變過程：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)過噴嘴擠出后冷卻成固態(tài)。在固體一熔體一固體的物理變化過程中，材料會在凝固過程中出現(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。在成形過程中，熔態(tài)的ABS分子在填充方向上拉長，又在隨后的冷卻過程中產(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)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、成型時間、噴絲寬度、延遲時間等。每一個加工參數(shù)均直接影響成型件的精度。如分層厚度較大時，原型表面會有明顯的“臺階”，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；若擠出速度過大會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，可能對表面質(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，但是在此過程中如果處理不當(dāng)都會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)對制件精度影響的實(shí)驗(yàn)研究[3]郭磊等.提高FDM模型表面質(zhì)量的方法[4]曹東偉.基于熔融沉積