堆銑復(fù)合成型技術(shù)制造高品質(zhì)零件的方法

齊元磊 王東興 于建濤 王海峰

(煙臺(tái)大學(xué)機(jī)電汽車工程學(xué)院，山東 煙臺(tái)264005)

熔融沉積快速成型技術(shù)(簡稱FDM 技術(shù))是對(duì)絲狀材料進(jìn)行熔融后由噴頭逐層噴涂堆積成型的一種快速成型方法［1］。FDM 技術(shù)可以快速地將三維模型轉(zhuǎn)化為原型或零件，但其成型零件存在精度差、密度低、強(qiáng)度弱等問題，只能作為產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)測評(píng)和模型觀賞。如何提高成型零件的精度和強(qiáng)度使其達(dá)到實(shí)際應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)是FDM 技術(shù)今后發(fā)展的主要方向。針對(duì)這些問題的改善方法［2－3］多數(shù)是從優(yōu)化成型參數(shù)的角度出發(fā)，但受到成型過程中各種因素的限制，通過優(yōu)化成型參數(shù)的方法難以使零件的精度和強(qiáng)度提升到實(shí)際應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。Carnegie Mellon University 和Stanford University聯(lián)合提出的形狀沉積制造法［4－5］，采用材料逐層疊加的方法，在層內(nèi)將去除成型和澆注成型相結(jié)合，能夠制造出具有一定精度和表面質(zhì)量的產(chǎn)品。

目前對(duì)于FDM 成型零件品質(zhì)的研究基本上都是針對(duì)改善成型零件的精度的研究，對(duì)于成型零件的密度強(qiáng)度的研究較為缺乏。結(jié)合上述內(nèi)容，本文采用了一種FDM 復(fù)合成型工藝:將FDM 技術(shù)與銑削相結(jié)合，采用邊堆積邊銑削的加工工藝來解決影響成型零件精度和密度的缺陷，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了復(fù)合工藝成型零件的精度和密度，尤其是零件密度，有較為顯著的提升。

1 結(jié)合銑削的熔融沉積制造工藝

1.1 復(fù)合成型設(shè)備

本文采用的復(fù)合工藝而在零件成型時(shí)采用邊堆積邊銑削的加工工藝。參考Stanford University 的形狀沉積制造法的實(shí)驗(yàn)設(shè)備［6］，在1 臺(tái)三坐標(biāo)數(shù)控裝置上安裝圖1 所示的復(fù)合工藝堆銑一體裝置構(gòu)成了復(fù)合成型設(shè)備。因?yàn)殂娤骱投逊e過程是交互進(jìn)行的，所以將銑削機(jī)構(gòu)和堆積機(jī)構(gòu)安裝在一起，并通過底板統(tǒng)一安裝到機(jī)床的Z軸上，這樣安裝，在銑削時(shí)不需要對(duì)銑刀重新定位夾緊，而且可以直接按照工件的成型路徑對(duì)工件進(jìn)行銑削。在成型系統(tǒng)中加入了絲杠傳動(dòng)來帶動(dòng)擠出機(jī)上下移動(dòng)，這樣在銑削時(shí)擠出機(jī)可以上升，避免噴頭與工件產(chǎn)生干涉而劃傷工件表面，堆積時(shí)擠出機(jī)下降到噴嘴略低于平銑刀底端的位置。

1.2 復(fù)合成型工藝

本文采用的邊堆積邊銑削加工工藝的基本思路是:成型開始時(shí)，擠出機(jī)由傳動(dòng)系統(tǒng)帶動(dòng)下降到工作位置后開始工作，按照輪廓和填充軌跡堆積完成一層工件后，擠出機(jī)停止工作并由傳動(dòng)系統(tǒng)帶動(dòng)上升一定高度，然后移動(dòng)到銑削位置，銑刀按照工件的成型路徑對(duì)工件當(dāng)前堆積層的頂面和側(cè)面進(jìn)行銑削，這樣既保證下一層工件堆積順利，又可保證工件的成型精度。銑削完成后，再移回到堆積位置，擠出機(jī)下降至工作位置開始堆積下一層零件，如此反復(fù)，直至工件成型結(jié)束。此外，在堆積完一層后應(yīng)讓工件冷卻后再進(jìn)行銑削，這樣可以避免出現(xiàn)因工件溫度過高銑削時(shí)材料粘附銑刀的情況。在銑削工件時(shí)應(yīng)盡量采用順銑［7］以避免工件表面出現(xiàn)毛刺，工件可以先粗銑后精銑以獲得更高的表面質(zhì)量。

2 復(fù)合工藝對(duì)零件密度提升程度的實(shí)驗(yàn)研究

2.1 影響零件強(qiáng)度的因素分析

零件的強(qiáng)度是指零件在外力作用下抵抗永久變形和斷裂的能力，是衡量零件承載能力的重要指標(biāo)，是零件在實(shí)際應(yīng)用中首先應(yīng)該滿足的基本要求。對(duì)于熔融堆積成型的零件，其強(qiáng)度與零件的密度有著直接的關(guān)系，零件密度越大，強(qiáng)度越高。零件的密度主要是由成型零件內(nèi)部相鄰材料之間的間隙［8］(即填充間隙)的大小決定的。

如果要求成型零件達(dá)到高強(qiáng)度，在成型時(shí)應(yīng)使填充間隙小于零，這樣同層相鄰材料之間存在重疊，整個(gè)片層的材料會(huì)融合成1 個(gè)整體，片層之間也能得到充分融合，零件的密度得到很大的提升。在實(shí)際加工中發(fā)現(xiàn)，填充間隙小于零時(shí)，重疊部分材料堆積過多導(dǎo)致片層表面凹凸不平(如圖2 所示)，不僅影響零件的表面質(zhì)量，而且在成型過程中會(huì)導(dǎo)致噴頭堵塞。為了較好的表面質(zhì)量和成型過程的順利，目前常用的FDM 成型機(jī)在零件加工時(shí)都會(huì)保證同層相鄰材料之間有足夠的間隙，在成型過程中不會(huì)發(fā)生重疊。這樣一來成型零件的密度大大降低，零件的強(qiáng)度難以達(dá)到較高的水平。

采用本文所述的復(fù)合工藝成型的零件能夠有很高的強(qiáng)度。加工時(shí)采用復(fù)合工藝，成型過程中因材料重疊導(dǎo)致的表面凹凸不平的缺陷可以通過銑削輕松解決，如圖3 所示，零件表面平整光滑。因此采用復(fù)合工藝成型零件，可以令填充間隙小于零，這樣堆積時(shí)同層相鄰材料之間相互重疊，整個(gè)片層以及片層之間能夠充分融合，最終成型的零件內(nèi)部幾乎不存在間隙，零件近似于1 個(gè)密實(shí)體，零件的密度自然很高，而強(qiáng)度也能達(dá)到較為理想的水平。

為了成形高密度零件，擠出機(jī)的擠出壓力和熔融材料的溫度都需要提高。本成型裝置的擠出機(jī)中采用了額定轉(zhuǎn)矩更大的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，噴頭溫度設(shè)定為235 ℃。

2.2 密度提升程度的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了具體地說明采用復(fù)合加工工藝對(duì)零件密度的提升程度，本文設(shè)計(jì)了1 個(gè)尺寸為100 mm ×10 mm ×10 mm 的長方體工件作為密度測試件。在一臺(tái)普通FDM 成型機(jī)上設(shè)置為最高密度方式成形出圖4 所示的試件A;在本文所述成型裝置上采用復(fù)合成型工藝成形出圖5 所示的試件B，主要的成型參數(shù)為:

分層厚度:0.4 mm;成型材料:直徑為1.75 mm 的ABS 絲材;密度為ρ =10.5 ×10-4g/mm3;成型溫度:235 ℃;成型室溫度:70 ℃。

試件A 和B 的質(zhì)量分別為mA=7.89 g，mB=10.34 g，試件的尺寸都是100 mm ×10 mm ×10 mm，體積為V=10 000 mm3，所以，2 個(gè)試件的密度分別為

由以上數(shù)據(jù)可知，采用復(fù)合工藝加工成型零件的密度比傳統(tǒng)FDM 工藝成型的零件密度高出31.05%。由此可見，F(xiàn)DM 復(fù)合成型工藝對(duì)于成型高密度的零件是有優(yōu)勢的。

3 復(fù)合工藝影響零件精度的實(shí)驗(yàn)研究

除了前文提到的因材料堆積過多引起的表面凹凸不平的現(xiàn)象之外，臺(tái)階效應(yīng)［9］也是影響零件表面精度的常見缺陷。臺(tái)階效應(yīng)是對(duì)模型進(jìn)行分層處理時(shí)產(chǎn)生的，與分層厚度成正比。層厚越小，臺(tái)階效應(yīng)越弱，但成型時(shí)間也越長。如果用較大的層厚進(jìn)行材料堆積，再用較小的層厚對(duì)成形件進(jìn)行銑削，則既可以縮短成型時(shí)間，又可以大幅度提高成型精度。

對(duì)于利用銑削來消除臺(tái)階效應(yīng)的原理，以圖6 為例來具體說明。圖6a 是以0.3 mm 的層厚堆積和銑削成型的零件，其表面臺(tái)階效應(yīng)明顯;圖6b 是以0.3 mm的層厚進(jìn)行堆積，然后再以0.1 mm 的層厚進(jìn)行銑削得到的零件，其表面已基本上看不出有臺(tái)階效應(yīng)。

4 結(jié)語

本文提出的將FDM 技術(shù)與銑削相結(jié)合的加工工藝，能夠有效地解決傳統(tǒng)FDM 加工中存在的成形件密度和精度不高的問題。結(jié)合銑削的快速成型工藝尤其適合于大尺寸和高密度零件的加工，加工大尺寸零件時(shí)擠出機(jī)噴口直徑較大，出絲寬度大、速度快，零件的表面質(zhì)量就難以保證，加入銑削后零件的表面質(zhì)量和密度會(huì)得到顯著的改善。

［1］Masood SH. Intelligent rapid prototyping with fused deposition modeling［J］. Rapid Prototyping Journal，1996.2(1):24 -33.

［2］李星云，李眾立，李理.熔融沉積成型工藝的精度分析與研究［J］.制造技術(shù)與機(jī)床，2014(9):152 -156.

［3］何新英，陶明元，葉春生. FDM 工藝成形過程中影響成形件精度的因素分析［J］.機(jī)械與電子，2004(9):77 -78.

［4］Jose Miguel Pinilla. Retaining flexibility in process planning:application to shape deposition manufacturing［D］. Stanford:Stanford University，2001.

［5］John Kietzman. Rapid prototyping polymer parts via shape deposition manufacturing［D］. Stanford:Stanford University，1999.

［6］Alexander G Cooper. Automated fabrication of complex molded parts using mold shape deposition manufacturing［J］. Materials and Design，1999，20(2):83 -89.

［7］郭寶珍.數(shù)控銑削加工中順銑和逆銑對(duì)加工表面粗糙度的影響分析［J］.制造技術(shù)與機(jī)床，2011(2):109 -112.

［8］Wang Tian Ming，Xi Jun Tong，Jin Ye. A model research for prototype warp deformation in the FDM process［J］. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2007，33(11 -12):1087 -1096.

［9］陸春進(jìn)，侯麗雅，楊繼全. 微小機(jī)械快速成型系統(tǒng)中的CAD 技術(shù)［J］.機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，1998，17(4):683 -685.