三维打印零件精度研究

三维打印零件的精度研究

一、三维打印的精度分类

三维打印系统的精度包括系统的硬件精度和系统制作的零件精度。详细可分为：(1)数据处理精度指从CAD模型→切片分层→切片信息处理的过程中发生的有用信息丢失，主要包括：CAD模型面化造成的数据误差及切片分层造成的数据误差。(2)三维打印系统机器精度此项精度指三维打印系统无负载运行时，工作台（包括X、Y、Z三轴）的定位精度和重复精度。(3)原型及时检测精度

此项精度是指原型刚制作完毕时的精度。影响该项精度的因素有：系统机器精度；数据处理精度；成型工艺各参数；树脂在成型过程中的收缩变形，该变形不可恢复，它同零件的形状、尺寸、树脂的种类、制造过程的各参数值有关。(4)原型延迟检测精度

此项精度是指原型经过较长时间的存放后的测量精度。由于受环境影响（如温度、湿度、光线等）、成型材料的特性、以及成型过程中残留在原型内的应力与应变分布的变化，成型后原型会继续发生变形，导致精度下降，因此，此项精度也是较为重要的一个指标。(5)原型最终检测精度

此项精度是指测量多次成型物的误差，并重新设置成型工艺参数及进行各种补偿后所制作的最终原型的及时检测精度。(6)X、Y、Z向检测精度

由于在X、Y、Z三个坐标轴方向上，三维打印系统的控制精度会有所不同，且其它一些影响因素也可能不尽相同，因此，原型沿三个坐标轴方向的精度值有可能不会完全一样，尤其是Z方向的精度最不易保证，应该分别沿三个坐标轴方向来检测原型的精度。结合以上对三维打印的精度分类及定义，制定的三维打印系统及其零件的精度检测流程见右图所示

二、影响三维打印零件精度的因素

三维打印的精度有数据处理精度、机器精度和不同时刻的零件精度。其中，数据处理精度是保证零件精度的前提，机器精度是保证零件精度的基础，而零件精度不仅取决于机器精度与数据处理精度，还与成型材料性能及成型工艺等有很大关系。此处把最终制作的处于室温状态下的零件与CAD模型或实物模型间的差异称为成型误差，它包括：数据处理误差、三维打印机器误差、成型材料及成型工艺造成的误差，如下图所示。（1）数据处理误差三维打印系统在进行分层处理前，需要对CAD模型进行面化处理，即用若干三角形逼近实际模型表面，转换为准标准文件格式——STL文件，此过程造成了CAD模型内外表面信息的丢失。将CAD模型面化后，要对其进行分层，是用一簇平行平面沿某一设定方向与面化模型求截交面得到轮廓信息，这一处理往往造成分层方向的尺寸误差，如沿分层方向零件的尺寸不能被层片厚度整除时，必然引起尺寸误差。因此，分层也造成了层面的内外表面信息丢失。从上述两数据处理过程可看出，三维打印数据处理误差主要体现为CAD模型误差及分层产生的阶梯误差。因该两种误差皆由三维打印原理引入的，我们称之为原理误差。(2)机器误差机器误差是导致原型精度的原始误差，升降台z向运动误差影响层片迭加过程中的层厚精度，从而导致z方向的尺寸误差；扫描机构在水平面内的运动宏观上表现为原型的形状、位置误差，微观上则由于层片的“滑移”导致粗糙度增大。机器误差在成型系统的设计及制造过程中就应尽量减小，因为它是提高制件精度的硬件基础。（3)成型材料导致的零件误差成型材料的在成型过程中的收缩会导致三维打印零件有较大的制作误差。因成型材料性能而导致的固化物变形称之为固化变形。主要表现为：树脂从液态到固态的相变而出现的体积收缩变形；反应释放的热量在已固化部分内部的不断积聚而使固化物产生的热变形。(4)成型工艺导致的误差三维打印成型工艺包括加工前的参数设置和扫描加工过程，而加工参数包括层厚、扫描速度、扫描间距、光能量、焦距等。三维打印工艺的扫描加工过程都是扫描机构与加工工具协同工作的过程，该协同过程包括以下三个基本问题：

1)扫描机构的惯性问题数控系统扫描机构本身的惯性结构、驱动电机的驱动能力的动态特性，对其运动速度、加速度、减速度有一定的限制，因此在满足这些限制的前提下，提高加工效率及加工质量成为首要的问题。

2)扫描速度与激光功率的实时匹配在扫描加工过程中，扫描速度在不断变化，为保证切割质量，激光功率也应随之变化，做到激光功率与扫描速度的实时匹配。要保证激光功率的实时匹配，首先需要具有可以控制激光功率输出的激光电源。

3)扫描机构与加工工具动作时刻的一致性扫描机构与加工工具具有不同的响应速度。交流伺服系统的延迟反映了伺服电机的随动特性，尽管可以采取措施减小该延迟时间，提高系统的随动精度，但在高速扫描的情况下无法彻底解决。以上三个基本问题及加工参数的设置都可能形成一定的误差。三、补充内容——FDM成型精度的影响因素

熔融沉积成型(FDM)技术的误差可以分为数据处理过程中产生的误差、成型加工过程中产生的误差和后处理产生的误差，分别称之为前处理误差、加工成型误差和后处理误差。按照成型机的成型工艺过程，可以将产生误差的因素按下图所示分类。1）前处理产生的误差数据处理即前处理是快速成型的第一步，是指从CAD模型获得成型机所能接受的控制数据，其数据精度直接影响RP原型的制作精度。在这一过程中产生误差的原因主要有两个，一个是CAD模型的面型化处理即STL格式化带来的误差、一个是分层切片产生的误差。

STL格式目前在快速成形领域被广泛采用，是快速成型系统能够接收的标准接口文件，它用许多细小的空间三角形平面来逼近还原CAD实体模型，是三维实体模型的近似表达，即经过表面三角形网格化处理后所得到的新三维实体模型是原三维实体模型的一种几何近似，因而不管精度怎么高，也不能完全表达原表面，这种逼近误差不可避免地存在。同时在离散化过程中采用分层切片处理，切片文件也采用SLI格式，是一种用线段近似逼近曲线的思想，所以在前处理过程中导致了双重的精度误差。2）加工成型误差

机器误差是成型机本身的误差，是影响制造精度的原始误差，在成型系统的设计及其制造加工过程中要尽量减少。分析如下：(1)工作台Z方向运动误差直接影响沉积过程的层厚精度，最终导致Z方向的尺寸误差，而工作台在垂直面内的运动直线度误差在宏观上产生制件的形状、位置误差，在微观上面导致粗糙度的增大。(2)在定位的时候，由于X-Y方向同步带的变形，会影响定位的精度。(3)扫描过程中，在X-Y方向上换向阶段，存在一定的惯性，导致工件变形，影响工件尺寸。(4)喷头的运动定位精度和重复定位精度误差引起的实际尺寸过大、微小曲面特征不能加工及堵丝等问题。

材料的收缩变形是影响成型件精度的一大重要因素。FDM成型系统一般所用的材料为ABS树脂，对于ABS树脂这种热塑性塑料，快速成型中要经过加热熔融、挤出成型和冷却固化三个基本步骤，成形过程中材料会发生两次相变过程：一次是由固态丝状受热熔化成熔融状态；另一次是由熔融状态经过喷嘴挤出后冷却成固态。在固体一熔体一固体的物理变化过程中，材料会在凝固过程中出现收缩，其收缩主要表现为两种：(1)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。(2)分子的取向收缩，即由于高分子材料的不同取向使得成型件在xoy平面与z轴的尺寸收缩率是不同的。在成形过程中，熔态的ABS分子在填充方向上拉长，又在随后的冷却过程中产生收缩，分子取向使得成型件在xy方向的收缩率大于与z方向的收缩率。

加工参数包括分层厚度、喷嘴直径、喷嘴温度、挤出速度、填充速度、填充方式、成型时间、喷丝宽度、延迟时间等。每一个加工参数均直接影响成型件的精度。如分层厚度较大时，原型表面会有明显的“台阶”，影响原型的表面质量和精度；喷嘴直径直接影响喷丝的粗细，一般喷丝越细，精度越高；若挤出速度过大会使得挤出的丝粘附于喷嘴的外圆锥面而不能正常加工等，加工参数较多，在此不一一详述。3）后处理产生的误差从成型机上取出已成型的模型后，需要进行剥离支撑的结构，有的还需要对工件进行固化、修补、打磨、抛光和表面处理等，这些工序被统称为后处理。后处理误差可以分为以下两种：(1)工件完成后，去除支撑时，可能对表面质量产生影响。(2)制件的表面情况和机械的强度方面还不能完全满足最终产品的要求。采用修补、打磨、抛光是为了提高表面质量，表面涂覆就是为了改变制品表面颜色提高其强度和其它性能，但是在此过程中如果处理不当都会影响原型的尺寸及精度，产生后处理误差。四、推荐阅读文献[1]汪程，王宏松.FDM成形精度分析及实验研究[2]彭安华,张剑峰,张江林.FDM工艺参数对制件精度影响的实验研究[3]郭磊等.提高FDM模型表面质量的方法[4]曹东伟.基于熔融沉积