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FDM成形过程中影响成形件精度的因素分析 |
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作者：华中科技大学 何新英 陶明元 叶春生 |
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摘要：成形件的精度是制约快速成形技术的主要因素之一。本文先简要介绍了快速成形技术中的熔融沉积成形的基本原理，进而详细分析了在成形过程中，材料性能、喷头温度和成形室温度、挤出速度、填充速度、丝的宽度和成形时间等因素对精度的影响，并在此基础上，提出了提高成形件精度和表面质量的一系列措施，在熔融沉积中有较高的应用价值。
关键词：快速成形技术；熔融沉积；FDM
1 引言
熔融沉积成形是快速成形技术中的一种，其工作原理如图1所示。它有两个喷嘴，一个用来喷模型材料，一个用来喷支撑材料。喷头可在xy平面内沿着零件的截面轮廓和填充轨迹运动，材料在喷头内加热到一定程度，就从运动的喷头里挤压出来实现堆积成形。
FDM是一个涉及CAD/CAM、数据编程、材料编制、材料制备、参数设置及后处理等环节的集成制造过程，每一个环节都会引起误差。这些误差严重影响了FDM原形件的精度，并阻碍了它在快速成形技术及功能零件制造中的进一步应用。
在FDM过程中的许多参数及参数之间的相互作用都会影响成形件的精度。本文通过试验分析了在FDM成形过程中影响精度的主要因素，并提出了一系列相应的提高其成形件精度和表面质量的措施。
2 FDM成形过程影响因素分析
在FDM成形过程中影响成形件精度的因素有很多种，然而，实践表明，尽管各种因素对成形件精度和成形时间都有或多或少的影响，但起主要作用的还是少数几个。以下就详细阐述这几个主要因素单独或交互作用时对成形件尺寸、几何精度以及表面粗糙度的影响。
2.1 材料性能的影响
材料性能的变化直接影响成形过程及成形件精度，材料在过程中要经过固体－熔体－固体的两次相变，在凝固过程中，由材料的收缩而产生的应力变形会影响成形件精度。如ABS树脂，其收缩的因素主要有两点：一是热收缩。即材料因其固有的热膨胀率而产生的体积变化，它是收缩产生的最主要原因。由热收缩引起的收缩量dl＝δ×l×dt，其中δ为材料的线膨胀系数（/℃）,l为零件尺寸（mm），dt为温差（℃）。二是因分子取向的收缩。成形过程中，熔态的ABS分子在填充方向上被拉长，又在随后的冷却过程中产生收缩，而取向作用会使堆积丝在填充方向的收缩率大于与该方向垂直的方向的收缩率。我们在计算收缩率时一般是先计算出材料在某一线性方向的收缩率即线性收缩率，然后再算出体积收缩率。假定材料具有完全各向同性，则线性收缩率与体积收缩率之间的关系为SL=(1+SV)1/3-1 (0
2.2 喷头温度和成形室温度的影响
喷头温度决定了材料的粘结性能和堆积性能、丝材流量以及挤出丝宽度。喷头温度太低，则材料粘度加大，挤丝速度变慢，这不仅加重了挤压系统的负担，极端情况下还会造成喷嘴堵塞，而且材料层间粘结强度降低，还会引起层间剥离；而温度太高，材料偏向于液态，粘性系数变小，流动性强，挤出过快，无法形成可精确控制的丝，制作时会出现前一层材料还未冷却成形，后一层就加压于其上，从而使得前一层材料坍塌和破坏。因此，喷头温度应根据丝材的性质在一定范围内选择，以保证挤出的丝呈熔融流动状态。试验表明，对改性聚丙稀这种材料，喷嘴温度应控制在230℃左右。
成形室的温度会影响到成形件的热应力大小，温度过高，虽然有助于减少热应力，但零件表面易起皱；而温度太低，从喷嘴挤出的丝骤冷使成形件热应力增加，容易引起零件翘曲变形，由于挤出丝冷却速度快，在前一层截面已完全冷却凝固后才开始堆积后一层，这会导致层间粘结不牢固，会有开裂的倾向。试验证明，为了顺利成形，应该把成形室的温度设定为比挤出丝的熔点温度低1~2℃。
2.3 挤出速度的影响
挤出速度是指喷头内熔融态的丝从喷嘴挤出的速度，单位时间内挤出丝的体积与挤出速度成正比。在与填充速度合理匹配的范围内，随着挤出速度的增大，挤出丝的截面宽度逐渐增加，反映在图2（a）~(c)上的区域1-1扩大到2-2、3-3，当挤出速度增大到一定值后截面形状将如图2（d）所示，即挤出的丝粘附于喷嘴的外圆锥面，而不能正常加工。
图（2）FDM挤出速度对丝截面的影响
2.4 填充速度与挤出速度交互的影响
填充速度应与挤出速度匹配，填充速度比挤出速度快，则材料填充不足，出现断丝现象，难以成形。相反，填充速度比挤出速度慢，熔丝堆积在喷头上，使成形面材料分布不均匀，表面会有疙瘩，影响造型质量。因此，填充速度与挤出速度之间应在一个合理的范围内匹配，填充速度v t、挤出速度vj应满足vj/v t∈[ɑ1 ɑ2]，其中ɑ1为成形时出现断丝现象的临界值，而ɑ2为出现粘附现象的临界值。
2.5 丝的宽度的影响
FDM是靠喷嘴挤出细丝堆积成实体的，细丝被挤压堆积后就有一定的宽度，这一宽度也直接影响成形实体的精度。细丝的宽度（W）与原始丝的直径（d）、层厚（δ）、进丝速度（V进丝）及填充速度（Vt）有关，其关系可表示为W＝V进丝πd2/4Vtδ。为了克服丝的宽度对成形精度的影响，可在CAD造型时，根据丝的宽度进行补偿计算，使成形精度达到满意的效果。
2.6 成形时间的影响
每层的成形时间与填充速度、该层的面积大小及形状的复杂度有关。若层的面积小，形状简单、填充速度快，则该层成形的时间就短；相反，时间就长。在加工时，控制好喷嘴的工作温度和每层的成形时间，才能获得效果精度较高的成形件。笔者在反复的试验中总结出：在加工一些截面很小的实体时，由于一层的成形时间太短，往往难以成形，因为前一层还来不及固化成形，下一层就接着再堆，将引起“坍塌”和“拉丝”的现象。为了消除这种现象，除了要采用较小的填充速度，增加成形的时间外，还应在当前成形面上吹冷风强制冷却，以加速材料的固化速度，保证成形件的几何稳定性。而成形的面积很大时，则应选择较快的填充速度，以减少成形的时间，这一方面能提高成形效率，另一方面还可减小成形件的开裂倾向，因为成形时间太长时，前一层截面已完全冷却凝固才开始堆积后一层，将会导致层间粘接不牢固。
3 结论
由以上分析可知，在FDM成形过程中，影响成形件精度主要因素有：1）材料的性能。2）温度，包括喷嘴的温度和成形室的温度。3）挤出速度。4）挤出速度与填充速度的匹配。5）丝的宽度。6）每层的成形时间。对于某次具体的成形加工，喷嘴孔直径、分层厚度及线膨胀系数都是确定的，但可通过调节挤出速度、填充速度及喷头和成形室的温度等，就可以得到能满足正常成形要求的挤出丝截面形状，从而获得精度较高的成形件。
参考文献：
[1] 徐安平RP技术及其在新产品开发中的应用 湖北工业大学
[2] 邹国林 郭东明 贾振元FDM出丝过程影响因素分析 大连理工大学
[3] 邹国林 郭东明 贾振元 刘顺福 熔融沉积制造参数的优化 大连理工大学
[4] 陈中中 李涤尘 卢秉恒 气压式熔融沉积快速成形系统 西安交通大学
作者
何新英，女，（1979－），硕士研究生，华中科技大学材料科学与工程学院（武汉，430074）
陶明元，男，高工，硕士生导师，华中科技大学材料科学与工程学院（武汉，430074）
叶春生，男，副教授，硕士生导师，华中科技大学材料科学与工程学院（武汉，430074）
Email：he_xying@sina.com
电话：027－87541145（转）804
地址：华中科技大学主校区快速成形中心(end)
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(6/12/2007) |
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