理论教育 FDM技术下模型制件精度的影响因素

FDM技术下模型制件精度的影响因素

时间:2023-06-27 理论教育 版权反馈
【摘要】:(一)材料性能及影响因素FDM材料的性能将直接影响模型的成型过程及成型精度。FDM材料在加工工艺过程中要经历固体—熔体—固体的两次相变过程,因此在冷却成固体的过程中,材料会发生收缩,产生应力变形,这将直接影响成型制件的精度。为了提高模型制件的成型精度,应减小FDM丝束的收缩率。对FDM快速成型工艺,由于分层厚度的存在,就不可避免台阶现象。

FDM技术下模型制件精度的影响因素

(一)材料性能及影响因素

FDM材料的性能将直接影响模型的成型过程及成型精度。FDM材料在加工工艺过程中要经历固体—熔体—固体的两次相变过程,因此在冷却成固体的过程中,材料会发生收缩,产生应力变形,这将直接影响成型制件的精度。例如,ABS丝束在FDM的工艺过程中主要产生以下两种收缩:热收缩、分子取向的收缩。热收缩即材料固有的热膨胀率而产生的体积收缩,它是ABS丝束产生收缩的最主要原因。成型过程中,熔融状态下的ABS丝束在纵向上被拉长,又在冷却中产生收缩,而分子的取向作用会使ABS丝在纵向的收缩率大于横向的收缩率。

为了提高模型制件的成型精度,应减小FDM丝束的收缩率。目前有关单位正在研究通过改进材料的配方来实现较小的收缩率。在当前的数据处理软件中,可以采用在设计时就考虑收缩量,提前进行尺寸的补偿,即在X、Y、Z三个方向使用“收缩补偿因子”,针对不同的零件形状、结构特征,根据经验值来设定不同的“收缩补偿因子”(通过这种方法设计出的零件成型的实际尺寸稍大于CAD模型的尺寸);然后当其冷却成型时,模型制件的尺寸就会按照预定的收缩量收缩到CAD模型的实际尺寸。

(二)喷头温度的恰当设定及影响因素

喷头温度决定了FDM材料的丝材流量、挤出丝宽度、粘结性能及堆积性能等。若喷头温度太低,材料黏度就会加大,则丝束的挤出速度变慢;若丝束流动太慢,则有时会造成喷嘴堵塞,同时丝束的层与层之间的粘结强度也会相应降低,有时甚至还会引起层与层之间的相互剥离。

此外,若喷头温度太高,材料趋于液态,黏性系数变小,流动性增强,则可能会造成挤出速度过快,无法形成可精确控制的丝束,在加工制作时可能会出现前一层的材料还未冷却成型,后一层材料就铺覆在前一层的上面,使得前一层材料可能会出现坍塌现象。因此,喷头温度的设定非常重要,应根据每种丝束的性质在一定范围内进行恰当选择,以保证挤出的丝束呈正常的熔融流动状态。

(三)挤出速度的合理选择与影响因素(www.daowen.com)

挤出速度是指喷头内熔融状态的丝束从喷嘴挤出时的速度。在单位时间内,挤出的丝束体积与挤出速度成正比。若挤出速度增大,挤出丝的截面宽度就会逐渐增加,当挤出速度增大到一定值时,挤出的丝束就会黏附于喷嘴外圆锥面,形成“挤出涨大”现象,而在此情况下就不能正常地进行FDM成型工艺的加工。

(四)分层厚度的合理选择

分层厚度是指模型在成型过程中每一层切片截面的厚度,由此也会造成模型成型后的实体表面出现台阶现象,这将直接影响成型后模型的尺寸精度、表面粗糙度。对FDM快速成型工艺,由于分层厚度的存在,就不可避免台阶现象。通常情况下,分层厚度的数值越小,模型表面产生的台阶的高度就越小,表面质量就越高,但所需的分层处理和成型时间就会相应延长,从而降低加工效率。反之,分层厚度的数值越大,模型表面产生的台阶的高度也就越大,表面质量就会越差,但加工效率相对较高。此外,为了提高模型制件的成型精度,可在模型制件加工完毕后进行一些后处理工序,如打磨、抛光等后处理。

(五)扫描方式的合理选择

FDM成型方法中的扫描方式有多种,如回转扫描、偏置扫描、螺旋扫描等。回转扫描指的是按X、Y轴方向进行扫描与回转,回转扫描的特点是路径生成简单,但轮廓精度较差。偏置扫描指的是按模型的轮廓形状逐层向内偏置进行扫描,偏置扫描的特点是成型的轮廓尺寸精度容易保证。螺旋扫描指的是扫描路径从模型的几何中心向外依次扩展。

通常情况下,可以采用复合扫描方式,即模型的外部轮廓用偏置扫描,模型的内部区域填充用回转扫描,这样既可以提高表面精度,又可以简化整个扫描过程,也提高了扫描的效率。

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