基于CAD建模的FDM 快速成型技術(shù)及其誤差分析

吳曉燕 王立成

（南京科技職業(yè)學(xué)院機(jī)械技術(shù)系，江蘇 南京 210048）

眾所周知，新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)過(guò)程中對(duì)于所設(shè)計(jì)的零部件，在投入大量資金進(jìn)行加工或裝配之前，一般需要先期加工一個(gè)簡(jiǎn)單的樣品或原型，以便對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)進(jìn)行評(píng)價(jià)、修改和功能驗(yàn)證。而一件原型的生產(chǎn)極其費(fèi)事，僅模具的制作就需要花費(fèi)大量的時(shí)間和資金。隨著當(dāng)前制造業(yè)市場(chǎng)環(huán)境的變化，消費(fèi)者的需求越來(lái)越多元化、個(gè)性化，產(chǎn)品的更新?lián)Q代周期必然會(huì)越來(lái)越短，消費(fèi)市場(chǎng)的需求促使制造廠商不得不加快產(chǎn)品的研發(fā)周期，快速將多樣化的產(chǎn)品推向市場(chǎng)以搶占先機(jī)，求得生存發(fā)展的空間。因此，產(chǎn)品的快速開(kāi)發(fā)是制造企業(yè)贏得21 世紀(jì)國(guó)際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)鍵，而快速成型技術(shù)能夠迅速將設(shè)計(jì)思想轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品，其對(duì)制造業(yè)的影響可與數(shù)控技術(shù)（CNC）相媲美。

1 快速成型技術(shù)的原理

快速成型技術(shù)（Rapid Prototyping，簡(jiǎn)稱(chēng)RP）是上世紀(jì)80 年代末發(fā)展起來(lái)的一種基于材料累加成型原理的新型制造工藝，它是集多種先進(jìn)科技于一體的現(xiàn)代制造技術(shù)。與傳統(tǒng)機(jī)械制造中“去除”材料的加工方法不同，RP 技術(shù)將復(fù)雜的三維制造分解為簡(jiǎn)單的二維加工的疊加，是一個(gè)從離散到堆積的過(guò)程，其工藝流程如圖1 所示。利用零件的三維CAD 模型，通過(guò)軟件將其按一定厚度離散成一系列二維層面，再結(jié)合加工參數(shù)驅(qū)動(dòng)成型機(jī)按順序?qū)⒉牧弦粚右粚佣逊e形成實(shí)體原型，原型經(jīng)過(guò)打磨等處理后即成零件。由于RP 技術(shù)可以在不用模具和工具的條件下生成幾乎任意復(fù)雜的零部件，極大地提高了生產(chǎn)效率和制造柔性，故目前廣泛應(yīng)用于汽車(chē)制造、航空航天、船舶工程、動(dòng)力機(jī)械、家電制造、電動(dòng)工具、醫(yī)療修復(fù)、建筑工程、工藝品制作以及兒童玩具等領(lǐng)域，并且隨著這一技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，其應(yīng)用范圍還將不斷拓廣[1]。

圖1 快速成型技術(shù)原理

2 FDM 技術(shù)與CAD 軟件的結(jié)合

熔融堆積成型（Fused Deposition Modeling，簡(jiǎn)稱(chēng)FDM）是快速成型技術(shù)中占主導(dǎo)地位的工藝方法之一。FDM 技術(shù)是基于原型的三維CAD 模型的，因此確定CAD 模型是至關(guān)重要的一步。一般采用以下兩種方法來(lái)獲取原型的三維CAD 模型：一是通過(guò)反求工程求得。反求工程對(duì)于難以用CAD 設(shè)計(jì)的零件模型以及藝術(shù)模型和活性組織的數(shù)據(jù)提取是非常有利的工具，而快速成型又不受模型幾何形狀的限制，可以快速地將測(cè)量數(shù)據(jù)復(fù)原成實(shí)體模型，反求工程與RP 技術(shù)的結(jié)合實(shí)現(xiàn)了零件的快速三維拷貝[2]。二是直接利用CAD 設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。在計(jì)算機(jī)上用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)方法將已有產(chǎn)品的二維三視圖轉(zhuǎn)換成三維模型，或者根據(jù)產(chǎn)品的要求直接設(shè)計(jì)三維模型，顯然是一種較為便捷理想的方法。目前，常用的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件有SolidWorks、Unigraphics、Pro/Engineer、AutoCAD 等，這些軟件均有較強(qiáng)的實(shí)體造型和曲面造型功能。下面以玩具汽車(chē)車(chē)身模型的快速成型來(lái)說(shuō)明FDM技術(shù)與CAD 軟件相結(jié)合的運(yùn)用方法。

（1）車(chē)身CAD 建模

本文中直接利用UG 8.0 軟件設(shè)計(jì)玩具汽車(chē)車(chē)身CAD 三維模型，如圖2 所示，主要用到了N 邊曲面、偏執(zhí)曲面、有界平面、拉伸、鏡像特征、螺紋孔等功能命令。

圖2 車(chē)身CAD 模型

（2）成型機(jī)的選用

根據(jù)車(chē)身CAD 模型的大小及其精度要求選擇合適的快速成型機(jī)，以滿足其成型速度和精度的要求，本文中選用Stratasys 公司的Dimension BST 1200es 系列3D 打印機(jī)，其基本參數(shù)如表1 所示。

表1 Dimension BST 1200es 系列3D 打印機(jī)基本參數(shù)

（3）CAD 模型處理

由CAD 造型軟件生成汽車(chē)車(chē)身的三維CAD 實(shí)體模型或曲面模型，然后將CAD 模型轉(zhuǎn)化為STL 文件格式，即對(duì)實(shí)體模型或曲面模型進(jìn)行切片處理，將三維模型近似成多個(gè)小三角形平面的組合。精度要求越高，曲面越不規(guī)則，所需要的三角形面片的數(shù)目就越多，STL 文件就越大。或者對(duì)CAD 三維模型直接進(jìn)行分層處理，得到精確的截面輪廓。分層切片模型在系統(tǒng)中起到承上啟下的作用，它的準(zhǔn)確性直接影響成型零件的規(guī)模、精度和效率。

（4）快速成型制作工藝

把生成的汽車(chē)車(chē)身STL（STereo Lithography）文件導(dǎo)入快速成型機(jī)系統(tǒng)中，根據(jù)零件的精度要求、型面的復(fù)雜程度等確定成型方向并設(shè)置成型參數(shù)。一般來(lái)說(shuō)，成型方向設(shè)置是否合理，決定著成型速度的快慢、成型時(shí)間的長(zhǎng)短以及成型材料消耗的多少。如圖3 所示為成型方向確定后車(chē)身模型及支撐。成型層厚一般為0.2mm，單獨(dú)成型一個(gè)約需2h 左右，若一次成型8 個(gè)，由于掃描時(shí)間增加，約需要12h。最后將成型的汽車(chē)車(chē)身模型去除支撐，再進(jìn)行打磨、拋光等后處理工藝，以提高模型的精度。如圖4 所示為汽車(chē)車(chē)身的成型件。

圖3 車(chē)身模型及支撐

圖4 車(chē)身成型件

3 成型件精度的影響因素分析

在熔融堆積成型過(guò)程中，形成成型件誤差的因素有很多，實(shí)踐證明，前期處理階段、熔融堆積成型階段、后處理階段產(chǎn)生的誤差對(duì)成型件精度和表面粗糙度有較大的影響。

（1）前期數(shù)據(jù)處理誤差

在快速成型加工工藝中，零件的CAD 模型在建模軟件中生成之后，必須要經(jīng)過(guò)分層處理才能將數(shù)據(jù)輸入到快速成型機(jī)中。在CAD 模型分層處理的眾多方法中，基于STL 模型的分層方法是主流方式。采用STL 文件切片方法，誤差主要產(chǎn)生于三維模型的STL 文件格式轉(zhuǎn)換和對(duì)STL 文件分層處理兩個(gè)過(guò)程[3]。STL 文件的數(shù)據(jù)格式會(huì)將CAD模型連續(xù)的表面離散成若干小三角形面片的集合，小三角形數(shù)量的多少直接到影響近似逼近的精度。當(dāng)實(shí)體模型表面是平面時(shí)不會(huì)產(chǎn)生誤差，但是對(duì)于曲面而言，無(wú)論精度多高，也不能完全表達(dá)原來(lái)的表面，故不可避免地產(chǎn)生了逼近誤差。

將CAD 模型面片化后，再對(duì)其進(jìn)行分層切片，即用一簇垂直于成型方向的平行平面與面化模型求截交面來(lái)得到輪廓信息。由于每一切片層之間存在距離，因此切片不僅破壞了模型表面的連續(xù)性，而且不可避免地丟失了兩切片層間的信息[4]，導(dǎo)致“階梯效應(yīng)”現(xiàn)象的產(chǎn)生，如圖5 所示。尤其是相對(duì)成型方向上傾斜的表面，曲面精度明顯降低，造成面型精度誤差。

圖5 RP 技術(shù)中的“階梯效應(yīng)”

（2）熔融堆積成型誤差

熔融堆積成型所用的材料為熱塑性材料，成型過(guò)程中材料會(huì)發(fā)生兩次相變：一次是固態(tài)絲狀受熱熔化成熔融狀態(tài)；另一次是熔融狀態(tài)經(jīng)過(guò)噴嘴擠出后冷卻成固態(tài)。在凝固過(guò)程中，材料的收縮變化會(huì)直接影響成型件的尺寸精度，甚至導(dǎo)致成型件產(chǎn)生翹曲變形或脫層現(xiàn)象，應(yīng)采用合理的制作方法減少收縮應(yīng)力或設(shè)計(jì)合理的支撐結(jié)構(gòu)以限制翹曲變形。

在熔融堆積成型過(guò)程中，噴嘴溫度、擠出速度和填充速度、擠出絲寬度等加工參數(shù)設(shè)置也會(huì)對(duì)成型精度產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。研究表明，對(duì)特定的材料應(yīng)根據(jù)其特性選擇不同的噴嘴溫度，F(xiàn)DM 工藝的關(guān)鍵是控制半流體成型材料的溫度比熔點(diǎn)溫度高1～2℃。填充速度是指掃描截面輪廓的速度，為了保證連續(xù)平穩(wěn)地出絲，填充速度與擠出噴絲的速度應(yīng)在一個(gè)合理的范圍內(nèi)匹配，使得噴絲從噴嘴里擠出時(shí)的體積與粘結(jié)時(shí)的體積相等，否則會(huì)造成成型表面材料分布不均勻或斷絲現(xiàn)象。擠出絲的寬度不是一個(gè)固定值，在成型過(guò)程中受到諸多因素的影響，因此需要在生成零件輪廓路徑時(shí)對(duì)理想輪廓線進(jìn)行補(bǔ)償。

（3）后處理誤差

從成型機(jī)上取出已成型的模型后，需要?jiǎng)冸x支撐結(jié)構(gòu)，可能會(huì)對(duì)表面質(zhì)量產(chǎn)生影響，所以支撐設(shè)計(jì)和成型方向是否合理很重要。在選取成型方向的時(shí)候，需綜合考慮加支撐要少，并便于去除等因素。有時(shí)還需要對(duì)工件采用固化、修補(bǔ)、打磨、拋光和表面處理等手段來(lái)提高表面質(zhì)量，但在此過(guò)程中，如果處理不當(dāng)會(huì)影響到原型的尺寸及精度，從而產(chǎn)生后處理誤差。

4 結(jié)語(yǔ)

CAD 建模的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)具有良好的一致性，當(dāng)三維模型發(fā)生改變時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)地修改與之相關(guān)的圖紙信息；在成型過(guò)程中，對(duì)影響成型件精度的因素進(jìn)行合理有效地控制，為成型過(guò)程的整體優(yōu)化和制作性能優(yōu)良的產(chǎn)品提供了保障。基于CAD 三維模型的FDM 技術(shù)，極大地提高了成型件的設(shè)計(jì)效率，縮短了新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期，成為提高企業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力的關(guān)鍵技術(shù)之一。

［1］洪軍，唐一平，盧秉恒.快速成型技術(shù)在新產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)與制造中的應(yīng)用研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)，2000，12(12)：7-9.

［2］史桂蓉，邢淵，張永清.反向工程應(yīng)用現(xiàn)狀及研究方向[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2000，7(4)：653-655.

［3］林濤.基于快速成型技術(shù)的零件模型構(gòu)建與工藝的研究[D].西南交通大學(xué)，2007.

［4］伍詠輝.熔融涂覆快速成型件的成型誤差分析[J].廣西輕工業(yè)，2010，10(10)：46-47.