FDM工艺参数对制件精度影响的实验研究_彭安华

第17卷第1期

自然科学版)淮海工学院学报(

NaturalScienceEdition)JournalofHuaihaiInstituteofTechnology(Vol.17　No.1

Mar.2008

　　文章编号:1672-6685(2008)01-0021-04

FDM工艺参数对制件精度影响的实验研究

彭安华1,2,张剑峰2,张江林2

(1.淮海工学院工程训练中心,江苏连云港　222005;2.扬州大学机械工程学院,江苏扬州　225009)

摘　要:精度和效率是制约快速成型技术发展的瓶颈,如何提高快速成型制件的精度已成为快速成型技术研究的热点问题之一。快速成型制件产生误差的因素有原理性误差、设备误差、工艺误差及材料收缩引起的误差。阐述了FDM工艺中丝材的粘结机理,通过实验着重分析了各工艺参数(温

度、层厚、速度、线宽补偿、延迟时间)对成型工艺过程的影响及对成型制件精度的影响。关键词:熔融堆积成型;工艺参数;粘结;精度中图分类号:THl;TG37　　　文献标识码:A

ExperimentalResearchintotheInfluenceofTechnicalParameters

onPartsPrecision

PENGAn-hual,2,ZHANGJian-feng2,ZHANGJiang-lin2

(1.EngineeringTrainingCenter,HuaihaiInstituteofTechnology,Lianyungang222005,China;

2.InstituteofMechanicalEngineering,YangzhouUniversity,Yangzhou225009,China)

Abstract:Asprecisionandefficiencyarethebottlenecksthatrestrainthedevelopmentofrapid

prototypingtechnology(RPT),theenhancementofprecisionhasbecomeoneofthefocusesinthestudiesonRPT.Factorswhichproduceerrorsinfuseddepositionmodeling(FDM)mayin-cludeprinciples,equipment,processandcontractionofABSmaterials.TheadhesivemechanisminFDMprocessiselaboratedinthispaper.Besides,theinfluenceofdifferenttechnicalparame-tersontheFDMprocessandpartsprecisionisanalyzed,includingtemperatures,layerthickness,velocity,compensationoflinearwidthanddefermenttime.Keywords:FDM;technicalparameters;adhesion;precision

0　引言

熔融堆积成型(fuseddepositionmodeling,FDM)是快速成型制造中应用较广泛的一种工艺方式。与传统的加工制作方法相比,快速成型技术在原型的制作成本、效率、通用性和柔性等方面有着很大的优势,而单就精度方面而言,它的优势不是十分明显,甚至距传统方法还有一定的差距。例如,无论

在产品的尺寸精度还是表面质量方面,快速成型制件还难以达到高精度数控加工设备所具有的精度水平,正是这方面的差距了它在各个领域进一步的发展和应用。由此可见,精度对于快速成型技术发展和应用是至关重要的,同时也有着广阔的发展空间。本文主要通过实验讨论FDM工艺参数对成型过程及制件精度的影响。实验设备是北京殷华激光快速成型与模具技术有限公司研制的MEM-300

＊收稿日期:2007-09-10;修订日期:2007-12-28

作者简介:彭安华(1973-),男,江西吉安人,淮海工学院工程训练中心讲师,硕士,主要从事快速成型的研究工作,(E-mail)pah7301@

126.com。

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快速成型机,丝材为ABS塑料(是由丙烯腈(A)、丁

二烯(B)和苯乙烯(S)组成的三元共聚物),实验零件为60mm×20mm×9mm的长方体。

向),而原材料本身的抗拉强度为56.51MPa。

2　工艺参数对成型制件精度的影响

2.1　喷嘴温度与成型室的环境温度

FDM成型工艺对温度要求极严,喷嘴温度和成型室的温度都是通过控制面板输入。喷嘴温度(To,extrusiontemperature)决定了材料的粘结性

能、堆积性能、丝材流量及挤出丝材的宽度。喷嘴温度太低,则材料粘度加大,挤丝速度变慢,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,且材料层间粘结强度降低,甚至引起层间剥离;喷嘴温度太高,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还未冷却成型,后一层就加压于其上,从而使得前一层材料坍塌和破坏,另外温度太高还会造成材料分子破裂,表面焦黄,挤出丝表面粗糙。在各工艺参数取系统默认值的情况下,通过反复实验可得出如图2所示的可成型工艺范围图。纵坐标表示喷嘴温度,横坐标表示每层的加工时间,由图2可知,如某层的加工时间过短,则前一层还没完全凝

1　丝材粘结机理分析

ABS丝材之间的粘结是靠喷嘴挤出的高温丝材所携带的热能和表面势能来驱动的,丝材从喷嘴中挤出在指定路径同相邻的丝材接触时,由于高温可使相邻的丝材在接触界面上软化,从而丝材接触面的分子发生相互扩散作用。由于聚合物的相对分子质量较大,而且大分子彼此交错缠绕,致使粘结扩散系数很低,从而使整个大分子不能完全跨越界面,而是分子的部分片段在热驱动下界面彼此缠绕,通过氢键、化学键和范德华力的作用在宏观上形成丝材的粘结。丝材的粘结过程大体上可分为3个步骤,即浸润、扩散和均匀化,如图1所示。

图1　丝材粘结过程示意图Fig.1　Filamentadhesionprocess

固,在堆积当前层时会发生塌陷,所以在堆积一些截

面积很小的形体时一般难以成型,如堆积直径很小的圆柱时,往往堆出来不圆。为了在堆积截面积很小的形体时也能得到满意的效果,则应在堆积的过程中吹冷风强制冷却,以加速丝材的冷却速度。当然在取不同工艺参数和加工不同零件的情况下,塌陷区和成型区的分界线会有所不同,但基本形状大致相同。

　　丝材的粘结强度可用粘结势表示,粘结势越大粘结强度越高,根据文献[1]可知粘结势ψ可表示为

1∞-kT(x,y)ψ=ξ(T)edxdydt,

s0s

∫

ξ(T)=

1,T≥Tc;0,TTc为实现有效粘结的临界温度,一般是丝材的玻璃

化温度,ABS丝材的玻璃化温度为105℃;k为粘结势常数,由ABS丝材本身的特性决定;s为粘结区域的面积,x,y∈s;t为积分时间,也即界面温度超过实现有效粘结的临界温度所滞留的时间。上式表明,粘结势的大小与粘结界面的温度T(x,y)、接触面积s以及界面温度超过实现有效粘结的临界温度Tc所滞留的时间t有关。由于这种粘结是建立在界面分子不充分扩散的基础上,因此丝材间的连结强度比丝材内部要低,而且与挤出丝材的热学特性息息相关。例如在喷嘴直径为0.3mm的成型机上,层厚取0.2mm,喷嘴温度取235℃,成型室温度取60℃,其它工艺参数取系统默认值的情况下,可测得试件的抗拉强度为45.00MPa(受力方向沿着成型方图2　可成型工艺范围图Fig.2　Suitablefabricationprocess

成型室的温度(TE,envelopetemperature)会影　第1期彭安华等:FDM工艺参数对制件精度影响的实验研究

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响到成型件热应力的大小,温度过高,虽然有助于减

少热应力,但零件表面易起皱;温度太低,从喷嘴挤出的丝骤冷使成型件热应力增大,容易引起零件翘曲变形。因此喷头和成型室温度必须处于稳定状态,不能发生大的波动,否则将影响成型质量。通过实验可得出如图3所示的合适温度范围区域。

时,原型的精度较高,但需要加工的层数增多,成型时间也较长。层厚的理论值可取零至喷嘴直径之间,工艺过程中为了保证上下两层能牢固地粘结,一般要求层厚小于喷嘴的直径。在实验中发现,当层厚接近喷嘴直径时,由于喷嘴对丝材无挤压作用,致使制件强度很低,如果扫描速度大很容易出现拉丝现象,所谓拉丝现象是指丝材跟着喷嘴走而不能粘结在已成型层上,如图5所示。要能顺利成型,扫描速度和挤出速度都应取较小值,但这样加工效率低。根据实验研究结果,为兼顾精度、强度和效率3个因素,层厚的最佳取值为喷嘴直径的一半。例如本实验中喷嘴直径为0.3mm,则层厚的最佳取值为0.15mm。

图3　喷嘴和成型室合适温度范围区域Fig.3　Suitablezoneoftemperatures

2.2　扫描速度与挤出速度

扫描速度(vf)指喷嘴移动速度,扫描分为轮廓扫描和填充扫描,相应扫描速度分为轮廓扫描速度和填充扫描速度。挤出速度(ve)指丝材从喷嘴中挤出的速度,其大小取决于送丝速度和挤出压力。对于FDM工艺,虽然从硬件和软件上来说扫描速度

可在0～200mm/s范围内设定,但对目前的喷头,成型时扫描速度既不能太低也不能太高,应有一个合理的范围。扫描速度太低,加工效率降低,同时灼热的喷头会烤糊其下的已加工层,严重时会产生节瘤;速度太高时一方面会使喷头产生机械颤动,影响零件的精度,而更严重的是如果扫描速度远大于挤出速度时,丝材被拉成很细的丝,因而不能正常加工。如果分层厚度用δ表示,喷嘴直径用d表示,如不考虑材料的收缩因素,则实际线宽w为w=veπd2

,由上式可见,如果扫描速度不变,随着挤出4vfδ

速度增大,丝宽逐渐增大,如图4a所示,填充丝的截面形状由1扩大到2,3。当挤出速度增大到一定程度时,如图4b所示,挤出丝粘附于喷嘴的外圆锥面,而不能正常加工。挤出速度和扫描速度应该合理匹配,一般来说扫描速度增大,挤出速度也相应增大;扫描速度减小,挤出速度也应相应减小。2.3　层厚

层厚是指将三维数据模型进行切片时层与层之间的高度。分层厚度较大时,原型表面会有明显的台阶,影响原型的表面质量和精度;分层厚度较小2.4　线宽补偿量

FDM成型过程中,由于喷丝具有一定的宽度,

造成填充轮廓路径时实际轮廓线超出理论轮廓线一

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些区域,因此要在生成轮廓路径时对理论轮廓线进

行补偿,该补偿值为线宽补偿量。而工艺过程中挤出丝的形状、尺寸受到喷嘴直径、分层厚度、挤出速度、填充速度、喷嘴温度、成型室温度、材料的粘性系数及材料收缩率等诸多因素的影响,因此挤出丝的宽度并不是一个固定值。从而线宽补偿量需要根据实际情况调节,其补偿值的正确与否直接影响着制件的尺寸精度和形状精度。线宽补偿的取值理论上可在丝宽直径的一半至丝宽直径之间,而实际取值一般是丝宽直径的一半。线宽补偿值过大会出现填充层与轮廓层粘结不牢甚至分离的现象,如图5所示。若线宽补偿值过小,则内部填充线会超出轮廓线,使成型表面有凸痕,影响了表面质量。2.5　延迟时间

延迟时间包括出丝延迟时间和断丝延迟时间。当送丝机构开始送丝时,喷嘴不会立即出丝而有一定的滞后,把从送丝机构开始送丝到喷嘴出丝的这段时间称为出丝延迟时间。同样当送丝机构停止送丝时,喷嘴也不会立即断丝,把从送丝机构停止送丝到喷嘴断丝的这段时间称为断丝延迟时间。每一层都有许多封闭的几何边界,每一封闭的几何边界都存在起停点,要求喷头的移动速度和丝材挤出速度在喷头的起停点协调一致,否则会造成材料的过剩或不足。因此在喷头还未到达终点时,丝材的挤出运动就应停止,在背压的作用下,喷头仍在喷料,直至喷头到达终点;在喷头到达起点之前,送丝运动开始送丝,由于弹性滞后效应此时喷头并没有出丝,当喷头运动至起点位置时喷头开始出丝。因此距起点多远开始送丝距终点多远就断丝,这是一个需要优化的工艺参数。如果距起点距离太近才送丝,则当喷头到达起点时仍没出丝,造成欠堆积;如果距终点距离太近才停止送丝,有太多的丝材进入喷头,那么在喷头到达终点时,在重力的作用下仍有丝材溢出,造成过度堆积,在起停点处引起火柴头现象。反之,如果距终点距离太远就停止送丝,则在喷头到达终点之前已停止喷料,造成欠堆积。2.6　喷嘴与底板之间的距离

喷嘴与底板之间的距离为0.2mm左右,实际

操作中是在喷嘴和成型底板之间放一张打印纸,调

节喷嘴和成型底板之间距离,同时水平移动打印纸,当感觉纸张移动有一定阻力并且在纸张上有划痕时,说明喷嘴和底板之间的距离已调整合适。当扫描速度大时,为顺利成型要求喷嘴与底板之间的距离值要偏小,如果距离值偏大,则会出现拉丝现象,如果同时挤出速度也较大,则出现丝材挤在喷嘴的四周而不能成型。如果在扫描速度和挤出速度都较低的情况下,丝材和喷嘴之间的距离可稍微偏大,但不能超过喷嘴的直径。

3　结束语

　　本文全面分析了工艺参数对成型过程及成型制件精度的影响,但本文的分析只是定性分析,进一步分析可通过正交实验得出各个工艺参数对制件精度的影响程度的显著性及各工艺参数的最佳水平组合方案。另外,影响制件精度的因素除了工艺参数设置不合理之外,还有原理性误差、数控系统引起的误差及材料收缩引起的误差等等。参考文献:

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(责任编辑:吉美丽)