熔融沉積型3D打印機機械零件誤差對精度的影響

黃斌斌 唐運周 梁飛創

摘要：熔融沉積型3D打印機是一種常見的制造工具，但在打印過程中會產生機械零件誤差，影響打印精度。文章探索了熔融沉積型3D打印機的機械零件誤差對精度的影響，發現機械零件誤差對打印品質的影響包括表面粗糙度增加、細節部分失真，以及打印物件尺寸、形狀、位置偏離預期值。針對這些影響，建議采取以下措施：優化機械設計，改進結構以減少制造誤差；使用高質量的機械零件，改善打印材料質量；優化打印工藝，選擇合適的參數；定期維護和校準機械零件。這些措施可以使機械零件誤差對熔融沉積型3D打印機精度的影響降至最小，提高打印品質和準確性。

關鍵詞：3D打印；熔融沉積型；機械零件誤差；打印精度

中圖分類號：TP334.8? ?文獻標識碼：A? ?文章編號：1674-0688（2023）04-0072-03

0 引言

近年來，3D打印機已經逐漸成為工業制造和個人制作領域的重要工具之一。3D打印技術是一種通過逐層添加材料的方式制造三維實物的方法，相比傳統制造技術，3D打印無需制造模具，具有快速生產、靈活性高等優點。3D打印技術的發展可以追溯到20世紀80年代，當時這種技術被稱為快速成型技術。到了20世紀90年代，這種技術開始應用于工業制造領域，并被稱為增材制造（Additive Manufacturing）［1］。隨著3D打印技術的快速發展，越來越多的企業開始使用3D打印機制造產品原型、小批量生產特殊部件等。現在，3D打印技術已經在航空航天、醫療、汽車制造、建筑等領域得到廣泛應用。

熔融沉積型3D打印機是一種應用廣泛的3D打印機類型，它采用加熱后熔化的材料（通常是塑料）制造零件，技術基本原理是通過熔融噴嘴將材料逐層噴射到制造平臺上，逐漸建立所需的三維模型。熔融沉積型3D打印機具有打印速度快、材料成本低、適用范圍廣等優點。然而，熔融沉積型3D打印機的打印精度會受到機械零件誤差的影響，這種誤差可能來自機械加工、裝配、使用過程中的磨損等多方面因素，會導致打印物體表面粗糙、尺寸不準確、形狀失真等問題。因此，減小機械零件誤差對提高熔融沉積型3D打印機的精度至關重要。

本文通過試驗，分析機械零件誤差對熔融沉積型3D打印機精度的影響，對比不同誤差條件下打印物體的表面質量、尺寸精度等方面的差異，探討降低機械零件誤差的方法，以期提高3D打印的品質和精度。

1 試驗方法

1.1 試驗設備和材料

本試驗采用自主設計的熔融沉積型3D打印機作為試驗設備。該打印機由底座、機械臂、噴頭、供料器和控制系統等主要部分構成。底座是該打印機的支撐結構，提供整個系統的穩定性和平衡性，由堅固的金屬材料構建，確保打印過程中的穩定性。機械臂是打印機的核心組件，負責定位和移動噴頭，由關節和伺服驅動器組成，可以在三維空間內精確地控制噴頭的位置和方向。噴頭是打印機中的關鍵部件，負責將熔融材料準確地沉積在打印平臺上，由陶瓷材料制成，配有加熱裝置以保持材料的熔化狀態，并通過精確的控制機制調節噴嘴的噴射流量和方向。供料器用于提供打印材料，是一種裝有材料絲或顆粒的容器，通過旋轉或推送機制將材料送入噴頭，以供打印過程使用。控制系統是整個打印機的大腦，由計算機和相關的軟件組成，可以實現復雜的運動路徑規劃和打印參數調整。

試驗所用材料為ABS（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物）塑料，是3D打印中常用的一種材料，具有優良的耐熱性、耐磨性和機械強度，適用于制作各種零件。

1.2 試驗步驟

1.2.1 設計測試零件

本試驗共設計了3個測試零件，分別為方體、圓柱體和球體。這些測試零件的尺寸和形狀都經過仔細計算和設計，旨在測試機械零件誤差對不同形狀的零件精度的影響。其中，方體的尺寸為20 mm×20 mm×20 mm，圓柱體的高度為30 mm，直徑為20 mm，球體的直徑為20 mm。

1.2.2 制造測試零件

在打印測試零件之前，需要先校準打印機的位置和狀態，通過調整機械臂和噴頭的位置和角度，使打印機的坐標系和G代碼生成的模型坐標系一致［2］。然后，將ABS塑料顆粒裝入供料器中，通過機械臂上的噴頭將塑料材料熔化并噴射到熱床上，逐層堆疊形成所需的零件。在制造過程中，需要對打印機的打印速度、噴頭溫度、熱床溫度等各項參數進行調整，以確保打印質量和精度。

1.2.3 測試零件的測量和分析

完成打印后，需要對測試零件進行測量和分析。使用三坐標測量儀對零件的尺寸和形狀進行精確測量，并使用顯微鏡和光學影像儀對零件表面質量進行觀察和分析。通過比較不同誤差條件下測試零件的測量結果和實際設計尺寸，得出機械零件誤差對打印精度的影響。

1.2.4 試驗數據的處理和分析

在試驗數據處理和分析過程中，首先需要將測試零件的實際尺寸和設計尺寸進行比較，計算出實際尺寸與設計尺寸之間的誤差。然后，將誤差數據進行統計和分析，得出機械零件誤差對打印精度的影響規律。為更清晰地展示數據分析結果，使用表格的形式對數據進行展示和比較。使用統計學方法對數據進行分析，探究不同機械零件誤差條件下，測試零件的尺寸精度和表面質量的變化規律。

在本試驗中，通過自主設計的熔融沉積型3D打印機制造不同形狀的測試零件，并通過試驗和數據分析探究機械零件誤差對打印精度的影響。下一步將利用所得試驗數據和分析結果，對機械零件進行優化設計，以提高打印精度和增強打印穩定性。

2 試驗結果分析

2.1 機械零件誤差對打印質量的影響

試驗過程發現，機械零件誤差對打印質量有著顯著的影響。當機械零件存在誤差時，打印出的測試零件表面會出現明顯的瑕疵和凹凸不平的現象。機械零件誤差主要表現為機械結構的不穩定和加工精度的不足，這些因素都會導致打印出的零件質量下降。此外，在打印過程中，過度熔化的噴嘴和溫度波動也會導致打印質量降低。

2.2 機械零件誤差對打印精度的影響

在試驗中，使用多組不同的機械零件打印測試零件，并對比實際尺寸與設計尺寸之間的誤差，進一步研究機械零件誤差對打印精度的影響。試驗結果表明，機械零件誤差與打印精度之間存在著密切的關系。當機械零件的誤差值較小時，打印出的測試零件的實際尺寸與設計尺寸之間的誤差也相對較小。但當機械零件的誤差值增大時，測試零件的實際尺寸與設計尺寸之間的誤差也會增大。

此外，機械零件的誤差類型和誤差方向對打印精度的影響也很重要。例如，對于平面零件，若機械零件存在水平方向的誤差，則會導致打印出的零件表面存在波浪狀的紋理，從而影響零件的使用效果［3］。因此，對不同類型的機械零件，需要采用不同的處理方式，以保證打印精度的穩定性。

2.3 打印結果質量和精度的對比分析

這些試驗結果表（見表1和表2）包含了不同尺寸的測試零件，每個測試零件都有特定的設計尺寸。在打印過程中，由于機械零件的誤差，測試零件的實際尺寸可能與設計尺寸存在一定的偏差。試驗結果表記錄了這些誤差的變化情況，從表中可以清晰地看到不同機械零件誤差條件下的打印質量和精度的變化規律。

表1顯示了4個不同的機械零件誤差條件（無誤差、誤差A、誤差B、誤差C）下的對比結果。平均尺寸誤差列顯示實際打印零件與設計尺寸之間的平均誤差值，單位為mm；打印零件的表面粗糙度以Ra值表示，單位為μm。根據表中的數據，可以觀察到隨著誤差條件的增加，平均尺寸誤差、表面粗糙度和細節失真程度均增加。這表明機械零件誤差對打印質量和精度產生了顯著影響。

表2展示了測試零件在不同誤差條件下的打印細節。當誤差為0.1 mm時，測試零件的表面質量較好，幾乎沒有明顯的瑕疵，打印細節比較清晰，各部分的細節都能夠清晰辨認。隨著誤差的增大，表面質量逐漸變差。當誤差達到0.3 mm時，測試零件的表面出現明顯的凸起和凹陷，打印細節明顯變得模糊不清，各部分的細節無法清晰辨認。而在誤差為0.4 mm的情況下，測試零件的表面質量很差，出現多處顯著的瑕疵，嚴重影響整體表面質量。

3 減少機械零件誤差的措施

3.1 機械零件誤差原因分析

機械零件誤差由多個因素共同作用而產生，包括材料和設備等因素［4］。材料方面，打印材料的質量和穩定性會對打印精度產生影響，低質量或不穩定的打印材料容易引起融合不良，導致打印零件出現層間質量差異和誤差。設備方面，打印機的精度和穩定性及打印機的結構設計、運動系統、控制系統等方面都會對打印精度產生影響。此外，打印機的磨損程度等使用狀態和維護保養情況也會對打印精度產生影響。

3.2 減少機械零件誤差的方法

為提高3D打印精度、減少機械零件誤差，本文提出以下減少機械零件誤差的方法。

（1）優化機械設計，改善打印機結構設計和運動控制系統是減少機械零件誤差的關鍵方法，合理的機械結構設計、優秀的運動系統及穩定、可靠的控制系統可以提高打印機的精度和穩定性，從而減少機械零件誤差的影響。

（2）優化打印工藝，選擇合適的參數，或者采用補償算法，調整打印路徑或參數。

（3）使用高質量的機械零件，避免使用已經損壞或磨損的機械零件。

（4）改善打印材料質量，選擇高質量、穩定性好的打印材料，可以減少融合不良、層間質量差異等問題，提高打印精度。

（5）科學的維護保養和正確的使用方式也可以減少機械零件誤差的影響。及時更換磨損嚴重的零部件、保證打印機的清潔、避免打印機在不穩定的環境下運行；對打印設備進行定期維護和保養，確保設備始終處于最佳狀態。

4 結語

本文通過對熔融沉積型3D打印機的試驗研究，深入探討機械零件誤差對打印精度的影響，探索減少誤差的方法和提高打印精度的措施。在實際應用中，需要選擇優質的設備和材料，采用合適的打印參數，才能夠有效降低機械零件誤差、提高打印精度。通過實驗結果的分析，可以看到不同機械零件誤差條件下打印質量和精度的變化規律，為今后的研究和開發提供一定的參考。未來研究方向包括進一步優化打印工藝、開發新型材料、提高打印速度和精度等。相信隨著熔融沉積型3D打印技術的不斷發展，其在各個領域的應用和影響也將越來越大。

5 參考文獻

［1］房巨強.三維打印快速成形機理及其加工質是控制技術研究［D］.沈陽：東北大學，2010：32-45.

［2］史玉升，閆春澤，魏青松，等.選擇性激光燒結3D打印用高分子復合材料［J］.中國科學：信息科學，2015（2）：204-211.

［3］王春凈，夏成寶.3D打印技術在航空制造領域的發展初探［J］.機械制造，2014，52（10）：51-52.

［4］張榮紅，熊瑋，張楠.3D打印技術在傳統工藝表現中的應用研究［J］.寶石和寶石學雜志，2015，17（1）：45-49.