熔融沉积成型(FDM)精度影响因素分析及补偿方法探析

工艺与装备103熔融沉积成型（F D M)精度影响因素分析及补偿方法探析张德龙(甘肃机电职业技术学院，天水741001)摘要：本文从F D M打印原理、过程、参数设定、打印后处理等多个方面分析影响打印精度的因素，提出 改进补偿措施，具有一定的参考意义。

关键词：熔融沉积成型精度补偿打印精度随着3D打印技术的不断发展与成熟，3D打印应用越来 越广泛，因此提高3D打印的精度越发重要。

鉴于它的成型 机理与成型材料等多方面原因，通过3D打印技术制造的零 件精度及强度相对于传统机械加工仍然存在一定差异。

尤 其是F D M打印的工件，更容易产生尺寸和形状误差，降低 了制造精度。

本文将从F D M打印原理、打印过程、参数设定、打印后处理等方面，分析影响精度的因素，提出改进措施，为进一步提高3D打印零件精度提供参考。

1FDM介绍溶融沉积成型（Fused Deposition Modeling，简称 FDM)又称为熔丝沉积，是当前应用最广泛的3D打印技术。

它的打印材料通常为ABS、PLA、尼龙等，具有成形速度快、价格低廉、易于实现等优点。

F D M打印时，在加热条件下把热熔性的细丝材融化，再通过挤出机的微形喷嘴挤出。

喷头沿打印件填充分层面 和内外轮廓分层面运动（X轴方向），工作台则沿Y轴、Z轴方向运动。

熔融的丝材被逐层堆积在热床上，按分层 次序由底层到顶层逐层堆积并固化、粘合，形成实体工件。

在一层丝材堆积粘合固化后，工作台将按设计行程下降一个分层厚度，然后再重复“堆积_粘结-下降”动作，直到工件打印成型，如图1所示。

因为F D M工艺无需激光系统的支持，所用的成型材料也相对低廉，所以总体性价比较高。

设备。

一个喷头使用较精细的丝材，打印工件轮廓；另一 个喷头使用相对较粗的丝材，打印支撑部分。

使用两种丝 材打印，能够降低材料成本和提高打印效率。

用于打印工件轮廓的较细丝材，价格高，沉积效率低；而用于支撑部 分的丝材，价格较低，沉积效率高。

2 FDM精度影响因素F D M技术不同于传统的机械加工方法，它能直接把复杂 产品的三维数据模型快速转化为实体模型。

因它在数据处 理、打印及工件加工后处理等方面会产生误差，导致工件 精度下降。

下面将对影响工件精度的主要因素进行分析。

2.1 S T L文件的转换F D M常用的是基于S T L模型的分层方法。

在工件建模完 成后，对模型文件进行转换处理，就是将STL模型离散为多 层曲面轮廓。

然后，再用大量的小三角面片来无限逼近曲面 轮廓或者实体模型，以进行多种模式的填充。

一个较复杂的 模型经过转换，生成的STL文件将包含大量小三角面片，而 三角面片的角度和大小又直接影响打印工件的精度。

在S T L文件格式转换时，转换参数的设置会影响三维 实体模型的转换质量。

从转换设置可以看出，导出参数里 的弦高决定了三角面片的大小。

弦高值越小，模型导出精 度越高。

三角面片的数量和角度也会影响转换后的造型与 原模型之间的三维尺寸精度。

如果三角面片数量多且角度 小，得到的转换文件大，打印出的工件就更能接近原模型，精度较髙。

反之，打印出的工件精度低，误差大。

在参数 选项对话框中，对应的“品质”选项有“粗糙、良好、自定义”三个选项。

由参数选择不难看出，选择不同的转换 参数即可得到不同品质的转换文件，进而加工出不同精度 的工件。

2.2分层厚度分层厚度是指三维实体模型分层切片的层与层之间的 高度，与成型工件的精度密切相关。

从F D M成型原理可以 看出，三维零件是由一系列的二维片层按次序叠加的。

具 有一定厚度的片层，在叠加生成工件时存在“台阶效应”。

如图2所示，细实线为模型设计轮廓，粗实线为实际打印 轮廓。

在厚度t一定的条件下，倾斜角a越小，最大粗糙 度Rmax越大；片层越厚，“台阶效应”越明显，表面质量越差，工件精度越低。

同时，在两个片层之间的小特征结构，如 筋片、凸缘、窄槽等就有可能被遗失，造成打印错误。

如 果减小分层厚度，工件的打印精度会提髙。

但是，对于同一个工件，分层厚度减小，意味着需加工的层数增多。

工 件的制造时间又会延长，导致生产效率下降。

图2分层厚度2.3翘曲及收缩补偿量F D M工艺的材料为热塑性材料，熔点一般为100〜300°C。

打印丝材被熔化挤出，铺设成一层预先设计 的工件截面轮廓。

冷却固化时，材料从融化到固化，材料 的内应力会造成工件整体变形、边角翘曲，甚至出现分层 现象。

分层打印时，由于熔融丝材不能同步堆积，会造成 层与层之间的收缩差异，生产不同的内应力，成为造成翘 曲的主要原因。

研宄发现，影响成型件翘曲率的主要有材 料与工艺两个方面。

在熔融丝材冷却过程中，还存在成形件收缩的现象。

因材料具有热膨胀性，固化时体积改变是引起收缩的根本 原因。

通过调整材料配方来减小材料的收缩率，是提髙打 印精度的措施之一。

而最有效的补偿办法是在三维模型设 计时，预先考虑收缩量，调整零件尺寸，最大程度地抵消 成形件收缩带来的精度误差。

设计时，根据工件的不同结 构特征和形状，采用适量的补偿量，使成形工件的实际尺 寸略大于C A D模型尺寸；在工件冷却凝固时，工件尺寸会 按照预定的收缩设计量，最终达到预期尺寸，满足精度要求。

2.4打印速度打印速度是打印头运动速度和丝材挤出速度的统称。

F D M打印需要打印头速度和熔融材料挤出速度合理匹配，才 能满足打印要求。

如果打印头运动速度快于挤出速度，熔 融材料将供应不足，会将丝材拉细拉长，不能全部填满打 印截面而出现空隙或断丝；相反，挤出速度快于打印头运动 速度，则丝材挤出量大于需要量，熔化的丝材会粘结堆积在 喷头处，造成打印截面材料分布不均匀，堆积成块状，影响 工件精度。

因此，打印头速度与挤出速度应选择一个合理的 匹配范围。

实验证明，该范围应满足v/v j G[a:，a2]。

其 中vd为打印头运动速度，、为挤出速度，Ctp 〇2为出现断 丝或粘附现象的临界值。

在丝材挤出量和挤出直径d—定时，打印速度不但与 工件打印效率有关，还会影响熔丝在己加工表面的位置精 度。

在公式tan e=d/v t中，丝线实际挤出长度L和理论长 度L'的夹角为e。

实验证明，夹角越小越好，以e趋于0 为最理想。

否则，丝线超出理论长度L'时，会被喷头挤压变形造成打印轮廓的误差。

可见，合理的打印速度需要根据 线材直径、打印温度等综合调整，一般设定在35mm/s左右。

2.5打印温度打印温度包括热床温度、成型室温度和喷头温度等。

丝料的流量、挤出宽度、堆积性能和粘结性能均决定于喷 头温度。

喷头温度太高，挤出后丝材趋向于液态，流动性强，粘度系数小，成形性低，精确控制性差；前后两层打印材 料过度粘结重合，影响正常打印。

若喷头温度太低，丝材 不易被挤出，层和层之间粘结强度降低，容易造成分层现象，且会造成喷嘴堵塞、出丝齿轮打滑等故障。

因此，应根据 丝材的性质选择喷头温度，保证挤出的丝材呈熔融流动状 态。

试验证明，喷嘴温度应在230°C左右时，改性聚丙稀材 料打印精度最好。

影响成形件热应力大小的因素还包括成形室温度。

温度 过高时，有助于热应力减少，但容易在工件表面引起皱折；若温度太低，则挤出丝冷却速度快，丝材从喷嘴挤出后骤冷 又使成形件热应力增加，引起翘曲变形。

此外，成形室温度 太低，容易造成层与层之间粘结不牢固而开裂。

一般打印时，设定挤出丝的熔点温度高于成形室温度1〜2°C即可。

热床 温度则直接影响打印工件与热床的粘结力和热应力。

过低，会造成打印件翘曲、脱落等；过髙，则影响工件成型。

2.6填充方式对于尺寸较大的工件，为了提高打印速度，内部经常 采用填充的方式。

常用的填充方式有直线式和蜂窝式。

直 线式是指形成正方形孔状的网格，横平竖直非常规整；蜂 窝式是形成六角形孔状的网格，呈蜂窝状。

不同的填充方 式会影响工件的打印速度、收缩应力。

蜂窝式填充产生的 收缩应力较小，而直线式填充打印速度较快。

蜂窝状的结 构具有结构稳定、坚硬的特点。

使用A B S打印时，可减少 翘曲，提升模型的强度。

一般打印设备的默认模式，为蜂 窝式结构填充。

对模型打印质量影响较大的还有填充密度，即打印材 料在总体积中的百分比。

因填充物会影响工件的打印速度、强度和精度，因此填充方式和填充密度的选择也有一定的 技巧。

选择时，可根据材料性能和工件模型的具体要求选 择填充方式和密度，最大限度减少材料浪费，提高打印效率。

2.7摆放位置和摆放形式在F D M打印过程中，打印模型的摆放形式和摆放位置 对打印精度的影响也不可忽视。

在参数设置相同的情况下，模型在空间中的放置形式也会影响工件表面质量。

以打印 一个长方体为例，首先建立模型并以S T L格式保存，按照 图3所示的放置位置和形式进行打印。

结果发现，a模式的 打印件尺寸偏差最小，b模式的尺寸偏差最大。

宄其原因，主要是b模式放置的长方体最长边与z轴平行，打印层数 最多，误差积累最大，且打印效率最低。

因此，要提高工 件的打印精度，除了基本参数的设置外，还要考虑模型的 摆放位置和摆放形式，更需要不断积累打印经验。

(下转第106页）高锅炉效率，减少蒸汽消耗和吹灰蒸汽对受热面的磨损。

4结语P I系统在南纤公司TPM专业维护中的应用十分广泛。

在今后的设备管理工作中，将充分挖掘P I系统数据价值，让设备运行管理人员更好地理解P I数据，并做出一些预测 性判断，进一步充实南纤TPM专业维护手段，为P I系统在 南纤公司的深化应用奠定基础。

参考文献[1] 张庆，张继锐.基于状态的设备管理系统的设计与实现[J].计算机工程与应用，2006，(15) ：179-181.[2] 赵闫涛，张冠雄.P I系统在设备状态分析中的应用[J].内蒙古电力技术，2014，32 (3) :40-43.[3] 孟周.浅析P I系统在发电设备管理中的应用[J].科技信息，2012，(31) ：441.Application of PI System in TPM Professional Maintenance of NanFan CompanyLU Fengfeng,CHU Hongjuan,CAI Bing(Nantong Acetate Fiber Co.,Ltd.,Nantong226008)Abstract：With the rapid development of NanFei Company, the combination of PI system and TPM professional maintenance is becoming more and more close.Leveraging the PI database5s powerful database capabilities,it provides strong support for equipment status maintenance,periodic maintenance,and forecast maintenance to ensure safe,stable and efficient operation.Key words：PI system,TPM,professional maintenance(上接第l〇4页）图3长方体放置位置此外，影响工件打印精度的因素还有打印设备精度、工件后期表面处理、喷嘴形状尺寸等。