熔融沉积制模过程及原理

快速成型原理及误差分析快速成型原理及误差分析 1 1 熔融沉积制模过程及原理熔融沉积制模过程及原理 熔丝堆积成形，FDM，Fused Deposition Modeling。也叫熔融沉积。是一种基于数字成像 技术的三维实体模型制造，它无需激光系统。 将丝状热熔性材料加热熔化，然后通过带有一个微细喷嘴的喷头挤喷出来。喷头可沿X 轴方向移动，而工作台则沿 Y 方向移动。如果热熔性材料的温度始终稍高于固化温度， 而成 型部分的温度稍低于固化温度，就能保证热熔性材料挤喷出喷嘴后与前面一层熔结在一起。 一个层面沉积完成后，工作台按预定的增量下降一个层的厚度， 再继续熔喷沉积，直到完成 整个实体造型。 在制造前先要进行以下步骤的前处理： （1）CAD 三维造型。三维造型是CAD 模型的最好表达，也是快速原型制作必须的原始 数据。三维造型可以在 UG、Pro/E、Catie 等大型商业软件上进行。 （2）数据转换。数据转换是对产品CAD 模型的近似处理，主要是生成STL 格式的数据 文件。注意控制 STL 文件生成的精度。通用CAD 软件都有 STL 数据输出。 （3）确定摆放位置。摆放位置不但影响着制作时间和效率，更影响这后续支撑的施加 以及原型制造的表面质量等。 从缩短原型制作的时间来看， 应选尺寸最小的方向作为叠层方 向； 为了提高原型质量和提高关键尺寸和形状的精度， 又需选尺寸最大的方向作为叠层方向； 为减少支撑、节省材料、便于后处理，常倾斜摆放。 （4）施加支撑。对于结构复杂的数据模型，支撑的施加是费时而精细的。比较先进的 支撑类型为点支撑，即在支撑和需要支撑的模型面是点接触的。 （5）切片分层。根据设备系统的分层厚度沿高度方向进行切片，生成系统需求的层片 数据文件。 Creo 模型导入 STL 生成软件 Cura 对模型添加支承和进行切片处理 其中设计软件和打印机之间协作的标准文件格式是STL 文件格式。一个 STL 文件使用三 角面来近似模拟物体的表面。三角面越小其生成的表面分辨率越高。 打印机通过读取文件中的横截面信息， 用液体状材料将这些截面逐层地打印出来， 再将 各层截面以各种方式粘合起来从而制造出一个实体。 这种技术的特点在于其几乎可以造出任 何形状的物品。 前处理完成后， 下面介绍打印平常的构造。 下面的介绍以斯普瑞达黑鸟3D 打印机为例。 打印机喷头固定在滑块上， 滑块上有三个滑轮， 在与步进电机齿轮配合使用的同步带实 现 X 轴和 Y 轴上的单轨移动。 喷头在一个平面上自由移动， 在这个坐标系喷射出应有的像素 完成打印。 可以打印出跟激光打印机相近的分辨率。 打印出来的 “墨水滴” 的直径通常为 50 到 100 微米。 滑块和滑块上的滑轮 同步带和滑轨 滑轨配合带丝杆步进电机， 实现 Z 轴上的精细移动。 从而使固定在滑块上的喷头可以打 印出微米级别的厚度层。 丝杠步进电机 进料口上通过进料电机转动， 从而推动丝料进入喷嘴。 控制进料电机的转动速度精确控 制进料量。保证喷嘴滴墨大小是一致的。 进料电机 出料过程 温控风扇和温度传感器配合来控制成型部分温度稍低于固化温度， 就能保证热熔性材料 挤喷出喷嘴后与前面一层熔结在一起。 在喷嘴上的温控风扇 插在主板上的温度传感器连接线 一般 3d 打印常用的 “线料”也就是说我们常见的3d 打印机里，打印的材料从墨汁换成 了 “热塑性塑料” ， 这种塑料一旦加热就变得软塌塌的熔融状态， 但是一旦冷却又恢复原样。 现在最常见的 3d 打印材料主要是 ABS 和 PLA，ABS 是个极其常见的合成塑料了，本质是 A （丙烯睛） 、B（丁二烯） 、S（苯乙烯） 。PLA 又叫聚乳酸，这东西熔点很低，基本在185°C 就可以熔融加工， 所以也是最常见的打印材料。 假如把一把塑料 （粒料） 放在灼热的喷头里， 不出两分钟就会堵死，所以材料是和毛线一样的线材。 2 2 误差分析误差分析 （1）导轨误差 固定喷嘴的滑块在导轨上进行移动， 是滑块运动的基准， 他的各项误差直接影响工件的 精度。 车床床身导轨在水平面内有了弯曲之后， 在纵向切削过程中就可能产生鞍形或鼓形加 工误差。如果导轨的水平度不能保证， 打印出来的水平面都会随着导轨倾斜。 在第一次安装 时应该对导轨进行检查， 并且在安装过程中保持导轨的垂直度， 从而减少导轨对加工造成的 误差。 （2）丝杆误差 丝杆是横向导轨的运动基准， 丝杠的精度保证了导轨垂直上下运动。 丝杠弯曲后，丝杠 电机转动， 丝杆不在按照电机的转动而线性运动， 而且还会带来水平面上X 轴和 Y 轴的加工 误差。从而影响了工件的加工精度。 丝杆误差和导轨误差一样， 在第一次安装时就应该进行 排除。 （3）支承板误差 支承板为加工工件提供水平支承， 支承板的水平度不能保证， 随着喷头沿着丝杠上去运 动，打印出来的工件地面将会是一个与支承板平行的斜面。 仿真这种误差，应该在打印前检 查支承板的水平度，通过调整螺母调整支承板四个角的高度， 从而调整水平度，并且使得支 承板和喷头校准位置高度有一张A4 纸厚度的距离。 支承板高度调整 （4）喷嘴出料控制误差 喷嘴出料控制误差可能是进料电机控制进料量的不均而造成的， 也可能是喷嘴温度成型 部分温度控制误差造成的。 成型部分的温度不能及时低于固化温度， 就不能保证热熔性材料 挤喷出喷嘴后与前面一层熔结在一起， 被喷嘴拖着为成型的墨滴成丝状随着喷嘴运动， 不能 形成预设的形状。温度过低，使得喷嘴间歇性堵塞，该出料的地面没有出来，等温度上升到 熔化温度时，堵塞的料一次涌出，打印表面变得坑坑洼洼，高点甚至可能和喷头发生摩擦， 影响后面的打印过程，严重影响了生产精度。 防止进料不足造成的误差， 应该定期维护精料 电机和送料机构。 要减低因为成型部分温度控制误差造成的打印误差， 应该尽量维持打印环 境温度，并且尽量放慢打印速度。 （5）同步带误差 长时间使用使得同步带老化造成同步带老化， 滑块在松紧度下降的同步带带动下沿着X 轴或 Y 轴方向滑轨移动量不在准确。在步进电机的带动下，碰嘴不能及时到达准确的位置。 造成打印过程中产生误差。 不能打印出预设的形状。 防止出现同步带误差， 要定期检查同步 带是否用松动，如有松动及时调节预紧力或者更换同步带。