FDM打印工藝對成型件精度的影響

康小青,段玉崗

（1.西安交通大學，陜西 西安 710049；2.陜西恒通智能機器有限公司，陜西 西安 710054）

熔融沉積成形FDM( fused deposion mddeling )是屬于快速成形技術中的一種。其基本工作原理是絲狀的原材料在送絲機構輸送下至噴頭，經過加熱器將絲材加熱到熔融狀態，然后從噴嘴擠出并粘結在成型平臺上，隨后快速冷卻并凝固成型。當一層截面制作完成后，工作臺下降一層的高度，噴頭再繼續制作當前層，如此重復，最終完成整個實體的制作。FDM工藝涉及CAD/CAM、數據編程、材料編制、材料制備、工藝參數設置及后處理等環節，每一個環節都能引起誤差。這些誤差嚴重的影響了 FDM 成形件的精度，因此，阻礙了它在快速成形技術及功能零件制造中的進一步應用。選擇合理的工藝參數，能在很大程度上提高成形的質量，減小制造過程中的不足。所以，在熔融擠壓快速成形的過程中如何選擇較佳的工藝參數顯得非常重要。本文從工藝參數的設置方面對精度的影響進行了相關實驗和分析，最終得出較好的工藝組合。

1 實驗部分

1.1 實驗原料

PEEK絲材，陜西恒通智能機器有限公司自制。

1.2 主要設備及儀器

高溫FDM打印機，陜西恒通智能機器有限公司自制；0～200mm的游標卡尺，晉億有限公司。

1.3 樣品制備

用高溫FDM打印機將PEEK絲材制成長×寬×厚為20mm×20mm×2mm的正方體，此樣品做為精度測試件。

1.4 試驗設計

為了減少試驗次數，節省時間和材料的消耗，并使得試驗結果既能反映XY平面方向的精度，又能反映豎直Z方向的精度，設計長×寬×厚為20mm×20mm×5mm的正方體作為測試件，并采用正交試驗的方法，對試驗中的分層厚度、噴頭溫度、進出速度、空走速度這四個工藝參數進行試驗。

表1 因素水平表

根據表1的選用方法，選用L9（34）的正交表來進行試驗，具體設計試驗如表2所示。

表2 正交試驗表

2 基于正交試驗的誤差分析

成形件的X、Y、Z，3個方向的尺寸誤差作為本試驗的分析內容。把加工好的成形件在室內通風干燥的環境下放置24小時以上，然后用游標卡尺分別測量成形件X、Y、Z，3個方向上的誤差值，每個成形件三個方向分別測試3個數據，其平均值作為最終的測量值。

表3 正交試驗數據表

表4 均值極差表

根據表3所測的成形件各方向的誤差，分別計算不同方向的均值和極差值，具體數據如表4所示。

根據表4可以看出，對于X方向成形精度影響的最佳水平組合為A3B1C3D2；即噴頭溫度為330℃，分層厚度選取0．15，進出速度50mm/s，空走速度為50mm/s；同理分析可知，Y方向成形精度的最佳水平組合為A1B1C1D1，Z方向成形精度的最佳水平組合為A2B3C3D2。通過極差值分析可以看出，在成型加工過程中，X方向尺寸精度主要受噴頭溫度和絲材進出速度的影響，Y方向尺寸精度主要受噴頭溫度和分層厚度的影響，Z方向尺寸精度主要受噴頭溫度和絲材進出速度的影響。

從實驗結果可知，影響測試模型的每個方向的尺寸精度因子水平組合并不是固定的，若對加工零件某一方向上的成形尺寸精度要求較高，可參考試驗得到的最優組合，選擇合適的影響因子水平組合，可實現成形件的精確加工制造。

3 結語

影響FDM成型件精度的工藝參數有很多，主要有分層厚度引起的臺階效應，噴嘴溫度引起的材料的粘結性能、堆積性能以及材料流量等；進出速度和空走速度引起的材料填充是否充足，是否有斷絲等現象，這些因素都會引起成型質量方面明顯的偏差。成型過程中需要合理設置和匹配這些參數，通過正交試驗法，獲得了良好的成型工藝參數組合，大大的提高了成型件的尺寸精度。