3.5　熔融沉積成形工藝誤差影響因素

3.5.1　材料特性對(duì)誤差的影響

由于FDM工藝中涉及塑料材質(zhì)的狀態(tài)變化，即材料由噴嘴處的烙融狀態(tài)擠出至成形平面上逐漸冷卻至固態(tài)的過(guò)程，這個(gè)變化過(guò)程中材料的物理性能會(huì)發(fā)生變化（如密度增大，相應(yīng)的體積也會(huì)減小），這種材料的特性是無(wú)法克服的，一旦材料確定則變化規(guī)律也確定。但是，成形過(guò)程中會(huì)受到工藝參數(shù)的影響。因此，合理設(shè)置各個(gè)工藝參數(shù)，盡量避免材料收縮引起的精度誤差被放大。

在表3-3中，列出了FDM工藝中常用材料的特性及其主要物理性能。觀察這幾種材料可知，基本都存在收縮變形現(xiàn)象，只是數(shù)值大小不同，故要完全消除材料特性產(chǎn)生的誤差非常困難。在設(shè)計(jì)模型時(shí)，合理選擇材料與成形溫度可防止不必要的誤差產(chǎn)生。

3.5.2　打印速度對(duì)誤差的影響

受機(jī)械結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性的影響，打印速度不僅影響成形件的精度；同時(shí)，由于打印速度和絲線的擠出速度有一定的映射關(guān)系，所以還會(huì)影響到材料離開擠出噴頭時(shí)的初速度。當(dāng)材料被擠出時(shí)，從熔融狀態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)的過(guò)程中冷卻時(shí)間也是不盡相同的，從而導(dǎo)致擠出絲在每一條出絲直線上的熱應(yīng)力收縮條件都不一樣，造成一定的精度誤差?？梢?jiàn)，在其他工藝參數(shù)都不變的條件下，打印速度不同，擠出材料的固化時(shí)間也不相同，最終導(dǎo)致材料的收縮變形量不同而產(chǎn)生變形。通過(guò)分析塑料件的物理屬性可知，當(dāng)打印速度較快時(shí)，材料的固化時(shí)間變短，收縮變形的幅度較小；當(dāng)打印速度較慢時(shí)，材料的固化時(shí)間變長(zhǎng)，收縮變形的幅度較大。

3.5.3　打印溫度對(duì)誤差的影響

打印溫度主要指擠出頭的設(shè)置溫度，圖3-13所示為PLA材料溫度與形態(tài)變化關(guān)系。由于FDM工藝用的成形材料大多為高分子聚合物，所以其材料物理特性實(shí)際上與混合物相類似，那么材料的熔點(diǎn)不是一個(gè)確定溫度而是一個(gè)溫度的范圍。

如果PLA材料的熔點(diǎn)在155～185℃范圍內(nèi)，若是溫度參數(shù)設(shè)置過(guò)低，則PLA材料并非完全熔化，仍有少量玻璃態(tài)材料存在，在擠出時(shí)會(huì)影響打印精度和噴頭壽命；若是溫度參數(shù)設(shè)置過(guò)高，PLA材料全部達(dá)到熔點(diǎn)溫度以上時(shí)呈現(xiàn)液態(tài)屬性。但是，PLA材料中有部分聚合物由于溫度高于熔點(diǎn)將出現(xiàn)過(guò)燒現(xiàn)象，也會(huì)對(duì)成形精度造成影響，而且不同分子量的聚合物在冷卻為固態(tài)時(shí)的熱應(yīng)力也有所差異，將會(huì)產(chǎn)生一定的熱變形。

3.5.4　熔融沉積成形機(jī)器誤差的影響

熔融沉積成形機(jī)器誤差是設(shè)備本身的誤差，屬于系統(tǒng)誤差，應(yīng)盡可能減小。熔融沉積成形機(jī)器誤差主要包括以下三種類型。

（1）工作臺(tái)引起的誤差

工作臺(tái)引起的誤差分成Z軸方向的運(yùn)動(dòng)誤差和X-Y平面的誤差。Z軸方向的運(yùn)動(dòng)誤差會(huì)直接影響產(chǎn)品在Z方向上的形位誤差，令分層厚度方向的精度變差，引起產(chǎn)品表面的粗糙度值增加，因而必須確保工作臺(tái)面與Z軸的垂直度；工作臺(tái)在X-Y平面的誤差是指工作臺(tái)表面不平，使得制件的理論設(shè)計(jì)形狀與實(shí)際成形形狀有很大差別。

（2）X、Y軸導(dǎo)軌的垂直度誤差

X-Y掃描系統(tǒng)是采取X、Y軸的二維運(yùn)動(dòng)，X、Y軸選取交流伺服電動(dòng)機(jī)通過(guò)精密滾珠絲杠傳動(dòng)，同時(shí)選取精密滾珠直線導(dǎo)軌導(dǎo)向，由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)同步齒輪的同時(shí)帶動(dòng)噴頭運(yùn)行。每個(gè)傳動(dòng)過(guò)程均會(huì)有誤差的產(chǎn)生，設(shè)備的加工質(zhì)量受到現(xiàn)代機(jī)械加工水平的制約，它是全部設(shè)備加工中普遍存在的問(wèn)題，難以解決。為了盡量減小這種誤差，必須定期檢測(cè)和維護(hù)成形設(shè)備。

（3）定位誤差

在X、Y、Z三個(gè)方向上，成形機(jī)的重復(fù)定位均可能有所不同，從而造成定位誤差。

3.5.5　分層厚度對(duì)誤差的影響

在通常情況下，實(shí)體表面產(chǎn)生的臺(tái)階將隨著分層厚度的減小而減小，而表面質(zhì)量將隨著分層厚度的減小而提高，但是如果分層處理和成形的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)將影響加工效率。同時(shí)，分層厚度增大將使實(shí)體表面產(chǎn)生的臺(tái)階增大，降低表面質(zhì)量，但是相對(duì)而言會(huì)提高加工效率。因此，在實(shí)際加工中，要兼顧效率和精度來(lái)確定分層厚度，必要時(shí)可通過(guò)打磨來(lái)提高原型表面質(zhì)量和表面精度。

3.5.6　CAD模型誤差

FDM的第一步就是設(shè)計(jì)理論上的三維CAD模型，這一步可由三維造型軟件完成。為了進(jìn)行下一步的模型切片分層處理，必須對(duì)此CAD模型進(jìn)行轉(zhuǎn)化。而多數(shù)快速成形系統(tǒng)使用標(biāo)準(zhǔn)的STL數(shù)據(jù)模型來(lái)定義成形的零件，它是一種用許多空間小三角形面片來(lái)逼近三維實(shí)體表面的數(shù)據(jù)模型。在CAD系統(tǒng)將三維CAD模型轉(zhuǎn)換成STL數(shù)據(jù)模型的過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)對(duì)三維零件描述的一系列缺陷，主要有以下兩個(gè)。

a.采用STL格式的三角形面片近似逼近CAD模型的表面，這本身即是近似的方法，此文件格式把CAD模型連續(xù)的表面離散成三角形面片的集合，當(dāng)實(shí)體模型的表面均為平面時(shí)將不會(huì)產(chǎn)生誤差。但對(duì)于現(xiàn)實(shí)中的物體而言，曲面是大量存在的，無(wú)論曲面精度如何高，也無(wú)法完全表達(dá)原表面，這種誤差就是不可避免的。另一方面，當(dāng)有數(shù)個(gè)曲面進(jìn)行三角化時(shí)，位于曲面相交的地方將有縫隙、重疊、畸變等缺陷的產(chǎn)生，同樣導(dǎo)致了模型精度的降低。

b.分層后的層片文件（采用CLI格式）用線段近似逼近曲線，又將引起誤差。很多研究者提出了減小這類誤差的措施，比如增加三角形面片的數(shù)目可以減小這類誤差，但是不可能徹底消除它，而且增加三角形面片會(huì)使STL文件過(guò)大和加工時(shí)間延長(zhǎng)。另外，一些研究者研究采用新的模型格式，比如用STEP格式替代STL格式，結(jié)果證明可以大大減小這類誤差，但是STEP文件格式文件量比STL文件格式大很多，同樣影響軟件運(yùn)算處理速度和時(shí)間。