郑小军　俞高红

【摘 要】本文从FDM熔融沉积成型的工艺流程出发，将影响制件综合性能的因素分为前期原理性误差、中期成型过程中的工艺性误差和后期后处理误差，对各阶段的主要误差形成机理作了详细分析并提出解决方法，为制件的表面质量、尺寸精度和机械性能的工艺试验和优化研究提供了指导性依据。

【关键词】FDM；3D打印；影响因素

中图分类号： TP334.8 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）31-0001-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.31.001

【Abstract】Starting from the technological process of FDM melt deposition forming，this paper divides the factors affecting the comprehensive performance of the parts into pre-principled error，process error and post-processing error in the mid-term forming process.The formation mechanism of the main errors in each stage is analyzed in detail and the solutions are put forward，so as to provide the surface quality and ruler of the parts.The process test and Optimization Study of inch accuracy and mechanical properties provide a guiding basis.

【Key words】FDM；3D printing；Influencing Factors

1 概述

FDM，即为熔融沉积成型，是快速成型技术的典型代表，它是利用高温将熔丝材料融化成液态，通过喷嘴挤出后固化，最后在立体空间上逐层堆积排列形成三维实物。

随着FDM 3D打印市场的日益普及，成型件的综合性能（主要是指制件的表面质量、尺寸精度和机械性能）一直倍受人们关注。目前RP技术成型精度与机加工零件相比相对偏低，这是制约FDM成型技术进一步发展和推广应用的重要原因之一。如何提高成型件的质量、精度也是当前广大研究人员对FDM工艺研究的重要课题。FDM工艺实现了从计算机三维CAD模型到成型件实体模型的一体化，要实现这一过程，中间要包含诸多环节：计算机三维CAD建模、STL文件格式转换、模型分层切片处理、成型材料性能、打印设备精度、工艺参数的选择及后处理，每个环节都有可能对制件的成型精度产生或多或少的影响。影响FDM制件综合性能的因素主要包括前期数据处理误差、成型加工过程中产生的误差和后处理误差。

2 FDM成型的原理性误差

FDM成型的原理性误差主要是指前期数据处理误差。一般来讲，要得到FDM工艺有两种方法，一是利用计算机三维辅助设计软件如UG、Solidworks等构建零件三维CAD模型再另存为STL格式的文件；二是通过三坐标测量机或3D扫描仪借助反求技术采集实物点云图，经数据拟合和软件处理最终得到STL格式的模型文件。数据处理软件要完成的任务是对STL文件进行分层切片、轮廓填充及生成加工G代码。在这个数据处理的早期阶段，由于数据转换或算法本身存在误差，这将影响零件的最终成形精度。

2.1 STL格式转换引起的误差

STL文件格式是由美国3D Systems公司于1988年制定的一个接口协议，是目前RP行业中广泛使用的三维模型文件格式，已成为一种既定的行业标准。STL模型用许多三角形面片来逼近实体，用简单的点线面形式去表达复杂的实体模型。这种简化就产生了不可忽略的误差。

STL文件的定义如图1所示，用三个顶点连接来表示一个三角面片，顶点坐标为（x，y，z），每个三角面片还必须有一个表示方向的法向量，用（Lx，Ly，Lz）表示。对于图示中多个三角面片共用一个顶点的情况，该点则会由于组成一个三角面片就记录一次，造成多次重复记录，进而引起数据冗余。STL文件就是通過众多这样的三角面片无序组合来近似3D打印模型的。

通常用三角形面片的数目来衡量STL模型逼近三维CAD模型的程度，数目越多，两者就越接近，误差也就越小。就像用正多边形来逼近整圆一样，多边形的边数越多，该多边形就越接近圆形。为量化逼近程度，这里引入弦高的概念，它是指在逼近曲面的过程中，三角形弦所在轮廓边与曲面之间的径向距离。如果要提高制件的成型精度，就必须采用更多的三角形面片来逼近，此时弦高变小。但这不仅会增加计算机的存储容量，还会增加切片的处理时间，所以应根据实际情况综合考虑。

2.2 分层切片过程产生的误差

快速成型技术基于的是离散-堆积的思想，当三维CAD模型转换为STL文件后，需要通过分层切片对其进行离散化处理。所谓分层切片，就是沿着成型件的Z轴正方向，用一系列平行于XOY平面的截面切取STL文件的数据实体模型，从而得到模型的内部构造信息和轮廍信息。由于分层切片是非连续的，层与层之间存在参数可改变设置的间距，层与层之间的信息就会不可避免地丢失，这就破坏了STL模型表面轮廍的连续性，导致制件产生尺寸和形状误差。一般我们用分层后的分辨率来表征层与层之间的间距大小（也即分层厚度）。间距越大，分辩率越低，数据信息丢失得也就越多。

分层切片处理给制件带来的误差主要有二：阶梯误差和Z向成型尺寸误差。Z向成型尺寸误差主要由分层厚度和制件的Z向成型尺寸决定。根据经验，并不是切片厚度越小得到的制件尺寸精度就越高；只有当成型高度与分层厚度满足倍数关系时，才能得到较高的制件尺寸精度。这一点在3D打印时应充分重视。

3 成型过程中产生的误差

3.1 熔丝宽度变化引起的误差

在数控铣削加工时，由于铣刀是有一定直径大小的，所以若刀具沿着零件轮廓曲线走刀的话，最终得到的实际加工轮廓将与理想轮廓偏离一个刀具半径的距离。为解决这一问题，我们在NC程序编制时，要引入刀具半径补偿功能。而在此处FDM 3D打印成型过程中也有类似的问题，打印时喷头喷出的熔融态的熔丝是有一定宽度的，而目前成型设备又不具有丝宽自动补偿功能，所以当喷头沿着STL文件分层处理后得到的理想轮廓轨迹进行扫描时，最终得到的实际轮廓会偏离理想轮廓，影响制件的尺寸精度。另外，在成型过程中由于受到喷嘴直径、分层厚度、填充速度及挤出速度等参数的影响，熔丝的宽度和截面形状都会发生改变，如图2所示。

当挤出速度较低时，可视熔丝的截面形状为图2中的第III部分；当挤出速度较高时，则应视熔丝的截面形状为图7中的第I、II、III三部分之和。

3.2 成型材料收缩引起的误差

FDM成型工艺中，常用的成型材料是PLA、ABS等热塑性材料，这种材料在经过固态-熔融态-固态的过程中经历二次相变，会出现体积收缩现象，从而影响成型件的尺寸精度，并产生内应力，严重时会产生层间剥离，影响成型件的机械性能。收缩现象表现为两种形式：

（1）热收缩

这是由材料固有的热胀冷缩属性引起的体积变化现象，也是引起制件发生翘曲变形的主要原因。热收缩现象引起制件的内轮廓向外偏移，外轮廓向内偏移、理论轮廓与实际轮廓不一致，产生尺寸误差，如图3所示。

（2）分子取向收缩

当熔融态丝材从喷嘴喷出并填充时，处于高温活跃状态的大分子链沿填充方向被拉长，温度下降后又冷却收缩。由于象PLA等高分子材料具有不同取向的特性，使得材料在填充方向上的收缩率远大于Z向堆积方向的收缩率。

为降低材料收缩对制件精度造成的影响，一般可采取以下措施予以改进：

（1）减小材料收缩率。成型过程中选用收缩率较小的成型材料，或对现有材料进行改性处理，降低其收缩率。

（2）模型尺寸补偿。在制件三维CAD模型构建时，就事先考虑到材料收缩对制件尺寸的影响，对不同方向进行尺寸补偿。

4 后处理产生的误差

经FDM工艺成型后的制件，通常包含基座、实体和支撑三部分。要得到一个完整的3D打印成型件，必须将基座部分和支撑部分去除，再经过修补、抛光、固化、打磨及表面强化处理等后处理工艺。因为从上文分析我们可以知道，将STL文件进行分层切片时，会产生阶梯效应，造成制件表面出现小的台阶，表面粗糙、尺寸精度不高、表面强度、耐磨性能达不到要求。后处理过程中往往会产生下面3种误差：

（1）去除支撑产生的误差。目前去除支撑常用的方式是手工剥离，有时也借助工具。剥离工具有时会划伤成型件，影响成型件的表面质量，支撑去除后通常会在成型件表面留下毛刺或凹坑状痕迹；也有可能支撑材料与成型件紧密结合难以去除。现在虽然可以采用水溶性材料作为支撑材料来提高成型件的表面質量，但由于水溶性材料价格较高，会增加成型成本。通常的做法是在设计之初就考虑好合理的支撑方式，能少不多，方便去除。

（2）外部环境变化引起的误差。制件成型后，由于环境温度、湿度的变化，会导致制件继续变形并产生误差。另外，由于成型工艺设定或制件本身结构工艺性等方面的原因，制件会存在残余应力，随着时间的推移，后续制件出现小范围的翘曲变形不是没有可能，所以应设法消除其残余应力。

（3）修补过程中产生的误差。为了减少阶梯效应、改善和提高制件的表面质量和美观程度，需要对制件进行修补、打磨、抛光或表面涂覆处理，但如果处理不当就会影响制件的尺寸、形状精度和综合机械性能，产生后处理误差。

5 结论

本文从FDM熔融沉积成型工艺流程出发，将影响制件综合性能的因素分为前期原理性误差、中期成型过程中的工艺性误差和后期后处理误差，对各个阶段的误差形成机理作了详细分析并提出解决方法，为制件的表面质量、尺寸精度和机械性能的工艺试验和优化研究提供了指导性依据。

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