FDM快速成型加工工藝問題研究

王琛?于嘉浩?陸雪億

摘 要：本文介紹了熔融沉積型快速成型的工藝原理，結(jié)合實(shí)際加工過程中出現(xiàn)的工藝問題進(jìn)行探究，提出工藝問題解決方案，對提高原型件成型質(zhì)量具有一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：熔融沉積;快速成型;工藝問題

快速成型技術(shù)是集計(jì)算機(jī)、新材料、自動(dòng)控制等諸多前沿科技為一體的綜合性技術(shù)，正以其獨(dú)特的創(chuàng)造性改變著人們的生活。熔融沉積制造（簡稱FDM）是主流的快速成型技術(shù)之一，又稱絲狀材料選擇性熔覆，[1]其通過自動(dòng)控制代碼將熔融狀的成型原料涂覆成實(shí)體模型。該技術(shù)不斷成熟，正以其良好的性能、低廉的成本，逐漸成為最受歡迎的快速成型技術(shù)。

1 工藝原理

熔融沉積制造是將絲狀的成型材料按指定溫度融化，使材料保持半液體狀態(tài)，通過擠出頭均勻擠出，在計(jì)算機(jī)代碼的控制下，有選擇地沉積在成型平臺上，迅速冷卻并固化。[2]當(dāng)完成一層截面的沉積后，成型平臺下降預(yù)定高度，繼續(xù)下一層的沉積。如此重復(fù)，層層堆積完成實(shí)體模型。[3]熔融沉積制造的工藝流程包括3個(gè)主要過程：前處理過程、成型過程、后處理過程。前處理過程包含建立模型、模型布置、切片處理。后處理過程包含去除支撐、拋光打磨。

2 加工工藝問題分析

2.1 前處理誤差

前處理過程中，F(xiàn)DM工藝的誤差機(jī)理主要是切片誤差。[4]切片過程產(chǎn)生的誤差主要包含Z軸方向的尺寸誤差和臺階效應(yīng)誤差。其中最常見的是臺階效應(yīng)誤差，由于三維實(shí)體模型是通過片層輪廓線的形式來描述，片層輪廓線形狀的不同以及相鄰片層之間的高度差造成堆積時(shí)的臺階狀效果，也被稱為臺階效應(yīng)。[5]臺階效應(yīng)誤差包含正偏差和負(fù)偏差。當(dāng)一定厚度的切片與三維實(shí)體模型相交，選取較大截面作為切片截面時(shí)，產(chǎn)生的偏差為正偏差。反之，選取較小截面作為切片截面時(shí)，產(chǎn)生的偏差為負(fù)偏差。正偏差適用于各種原型件的制造，既可以保證原型件的尺寸，又可以通過打磨等后處理工藝提高成型表面質(zhì)量。負(fù)偏差適用于模具的制造。

臺階效應(yīng)誤差與切片厚度、模型表面曲率有關(guān)。減少誤差的優(yōu)化方案是減少切片厚度，當(dāng)切片厚度減少時(shí)，相鄰片層之間的高度差也隨之減少，模型在Z軸方向上的堆積更加密集，臺階效應(yīng)誤差減小。但是，切片厚度的減少會導(dǎo)致片層數(shù)量的增加，使得STL文件的數(shù)據(jù)量增加，成型時(shí)間變長。

2.2 支撐設(shè)定

FDM成型過程中，原型件的懸空部分需要增加支撐結(jié)構(gòu)，支撐結(jié)構(gòu)的材料有許多種，包括水溶性支撐材料和易剝離性支撐材料。[6]目前，大部分FDM快速成型機(jī)使用易剝離性支撐材料，即把成型原料作為支撐材料。因此，存在兩個(gè)問題：一是支撐材料的去除會影響原型件的表面質(zhì)量;二是如何調(diào)整原型件的放置位置，以達(dá)到節(jié)省支撐材料的目的。

支撐材料的去除會給成形表面帶來毛刺或凹痕，這個(gè)問題難以避免。由于FDM快速成型機(jī)的成型精度的限制，優(yōu)化方案只有通過后處理工藝得以實(shí)現(xiàn)。節(jié)省支撐材料的優(yōu)化方案是在保證支撐結(jié)構(gòu)合理的前提下提出的，優(yōu)化方案如下：一是在保證原型件表面質(zhì)量的基礎(chǔ)上，盡量減小支撐投影面積，以減小支撐材料的消耗。二是成型控制軟件對原型件切片的過程中，會產(chǎn)生不同的支撐方案，在不影響原型件結(jié)構(gòu)的情況下，選擇支撐最少的方案。

2.3 后處理工藝

由于成型精度原因，F(xiàn)DM快速成型機(jī)打印的原型件經(jīng)常達(dá)不到預(yù)期的效果。具體表現(xiàn)如下：一是臺階效應(yīng)產(chǎn)生的臺階狀紋理;二是去除支撐材料時(shí)產(chǎn)生的毛刺或凹槽。

優(yōu)化方案為通過后處理工藝來提高原型件的表面質(zhì)量。后處理工藝包含機(jī)械方法和化學(xué)方法。機(jī)械方法即通過銼刀、砂紙等工具進(jìn)行打磨拋光。打磨拋光的目的是去除原型件表面的毛刺或凹槽，使原型件表面達(dá)到光亮平整的效果;主要使用工具為砂紙、紗綢布、羊絨輪等。這需要通過手工完成，耗時(shí)費(fèi)力，但后處理效果理想?；瘜W(xué)方法通過丙酮蒸汽對原型件表面進(jìn)行拋光。主要使用工具為：加熱平臺、密閉器皿、錫紙等。由于丙酮可以溶解塑料，隨著丙酮蒸汽的擴(kuò)散，原型件表面逐漸融化，臺階狀紋理逐漸平滑，毛刺和凹槽逐漸消失，原型件表面變得光亮平整。但是，丙酮蒸汽法需要控制好火候，熏蒸時(shí)間過長會使模型過度融化。

3 結(jié)語

熔融沉積型快速成型作為一種便捷高效的快速成型方式，已經(jīng)從實(shí)驗(yàn)室逐步走向人們的生活。本文闡述了該工藝的工藝原理，探索實(shí)際加工過程中出現(xiàn)的工藝問題，通過實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)研究，提出工藝問題解決方案，對該工藝的普及應(yīng)用具有借鑒和啟發(fā)作用。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡介：王琛，男，南京林業(yè)大學(xué)家居與工業(yè)設(shè)計(jì)學(xué)院實(shí)驗(yàn)師，主要研究方向：工業(yè)設(shè)計(jì)工程。