FDM 3D打印尺寸误差及其工艺补偿方法研究*

董秀丽，尹德强，方　辉，张文君

(四川大学 制造科学与工程学院，成都 610000)



FDM 3D打印尺寸误差及其工艺补偿方法研究*

董秀丽，尹德强，方辉，张文君

(四川大学 制造科学与工程学院，成都 610000)

针对熔融沉积成型的3D打印零件由于打印材料状态波动而产生的尺寸误差，以螺纹连接件作为实验实例，对不同打印部位由打印材料热胀冷缩而产生的尺寸变动进行了分析。通过实验数据对比分析，提出了提高3D打印精度的改进措施，并对熔融沉积成型3D打印机使用过程中的部分技术问题进行了描述和分析，提出了相应的技术应用建议。

3D打印技术；尺寸误差；收缩

0　引言

2002年美国就已制造出能打印金属零件的3D打印机且使用激光打印的钛合金零件的F-35战机已进行了试飞[1]。国内3D打印技术水平发展迅速但是大多处于研发阶段，做出来的成机质量也低于欧美国家，但3D打印技术得到我国极大的重视，以西安交通大学、华中科技大学、清华大学等为首的团体在研究研发中也取得了极大地进步[2-3]。

由于成型机理和成型材料等诸多方面的限制，目前通过3D打印技术制造的零件精度和强度相对于传统金属切削加工而言仍有差距[4]。特别的，对于熔融沉积成型(Fused Deposition Modeling，FDM)等特定类型的3D打印技术及设备，由于其打印零件的精度受到打印材料、熔融温度、冷却速度等多种因素的综合影响，其工艺技术研究具有显著的现实意义和应用价值[5-6]。本文针对熔融沉积成型3D打印零件由于打印材料状态波动而产生的尺寸误差，并对FDM 类型3D打印工艺进行了技术性研究，提出了相应的技术应用建议，为进一步提高3D打印零件的精度提供技术支持。

1　3D打印机选用

FDM是目前技术比较成熟的3D打印类型，具有打印设备成本低、打印设备和材料成本低、打印过程无污染等优点，故选用FDM3D打印机进行打印尺寸误差及其工艺补偿方法实验研究。

FDM3D打印机打印工作流程如图1所示。

图1　FDM3D打印工作流程

2　3D打印螺纹连接件实例

2.1螺纹连接件

通过实验打印φ=6mm的螺栓和螺母各50枚，分别测量了螺栓螺母配合的尺寸误差以及螺栓螺纹和光杆部分的误差。

图2　3D打印螺柱和螺母实体

2.2数据记录

(1)3D打印螺栓螺纹数据记录

测量工具：数显游标卡尺。

打印温度：220℃；打印速度：40mm/s；打印层厚：0.4mm；喷嘴直径：0.2mm。

表1　螺栓螺纹数据记录

计算螺栓螺纹尺寸的算术平均值为：5.4508 mm；标准方差为：0.05653 。

图3　螺栓螺纹尺寸分散

(2)3D打印螺母数据记录

表2　螺母数据记录

螺母尺寸的算术平均值为： 5.4170 mm；标准方差为：0.05452 。

图4　螺母尺寸分散

(3) 3D打印螺栓光杆数据记录

表3　螺栓光杆数据记录

螺栓光杆尺寸算术平均值为：5.5848 mm；标准方差为：0.05489 。

图5　螺栓光杆尺寸分散

2.3实验测量误差分析

由于PLA(聚乳酸)、ABS(树脂)等FDM类型3D打印机材料的热胀冷缩特性[7]，导致打印零件的实际尺寸要比理论尺寸偏小，此外，同种材料的收缩程度又受加工零件形状尺寸、外界环境、生产制备机器设置参数等的影响也不尽相同。

根据断面收缩率公式：

ΔS=[(D-M)/D]×100%

(1)

式中，D是理论尺寸；M是实际测量尺寸。

计算实验结果表明：

(1)同尺寸螺母收缩最大，螺栓螺纹次之，螺栓光杆最小。

(2)由正态分布曲线可知，就离散程度来说，螺母最小，螺栓光杆次之，螺栓螺纹最大。

根据螺纹连接件尺寸实验数据，就尺寸误差大小而言有以下结论：

①同尺寸螺纹连接件收缩大小不一样，螺母是内螺纹，零件外轮廓尺寸要比6mm大的多，可以给内螺纹加固支撑的作用，但零件尺寸越大收缩也就越大，故螺母尺寸收缩要比螺栓大，导致零件不能进行正确的啮合而出现滑丝现象；

②螺栓螺纹和光杆尺寸实验数据，说明收缩误差不仅与零件外轮廓尺寸有关，还与散热面积大小有关，螺纹的散热面积大故收缩也大，光杆散热面积相对较小，所以收缩要比螺纹小。

根据螺纹连接件尺寸实验数据，就尺寸分散而言有以下结论：

①螺母尺寸分散最集中，也是由于外轮廓尺寸的加固支撑作用，使尺寸分散相对较稳定；

②螺栓螺纹尺寸不一，散热面积较光杆要大且不均匀，尺寸分散较螺栓光杆部分要大。所以，离散程度中螺母最小，光杆次之，螺栓螺纹最大。

3　改进措施

3.1实验改进措施分析

针对打印材料的热特性，根据在螺纹连接件实验中得出的误差收缩数值，对于提高打印质量，提出以下解决方法：

(1)在螺栓连接中，为了使螺栓螺母能尽可能接近理论值并能够达到正确的配合的状态，而不会出现滑丝现象，可增大零件尺寸以补偿材料收缩带来的误差，使补偿后的零件更加接近理论值并达到正确使用的目的，即实验经验补偿。

在其他参数不变条件下，进行对比实验，打印直径为6.1mm的螺栓10个，测量尺寸如表4所示。

表4　实验改进螺栓尺寸记录

求得算术平均值为：5.5480 mm；标准方差为：0.030258。

改进后打印出来的螺栓零件实际尺寸更接近理论尺寸，说明增大理论直径来补偿打印零件尺寸是可行的。

(2)FDM类型3D打印机打印材料种类有限，为了更好地解决材料收缩问题，我们在切片算法中选择材料种类并自动将收缩率计算在内，使最终呈现出材料收缩后的尺寸以确定理论值，这样就能够使打印的零件尺寸误差尽可能小，即算法改进补偿。

(3)PLA材料的收缩率很大，可以使用方法降低它的收缩率，比如添加其他材料以增加PLA的改性等。

3.2其他工艺问题

(1)切片路径缺陷问题：打印小直径螺栓时出现凹槽现象，是由于喷头打印过程中因切片算法路径的方向转变，加上材料的收缩而引起的材料分布不均匀，最终导致路径闭合不完整，直径越小凹槽越严重。对此可以优化切片算法打印路径，例如，打印闭合路径圆时，①可以使算法设置打印路径大于一个圆，把收缩及路径转变带来的路径不闭合覆盖掉；②使路径闭合点在垂直方向的不同位置。

(2)粘连堵丝：长时间打印，喷头附近温度很高，开始重新打印新零件时，材料容易粘连在喷头挤出口造成堵塞，导致打印失败。对此，喷头加热块最好不要外露以防与打印进行中的材料层发生粘连引起变形、材料分布不均、翘边及严重时至喷头堵塞等，可以考虑加防护罩、隔热层等类似结构隔开加热块。

(3)变形：打印过程中最常见的变形是翘边，打印面积、厚度不同的零件，翘边的程度不同。打印螺母时，无填充的要比填充的变形大，零件的材料、散热能力及零件形状结构的不同而引起的散热不均。建议添加肋板、轮辐等支撑结构以减小壁厚，采用填充等优化零件。例打印3D打印机显示操作屏外壳，加肋板减小壁厚前后，不管是整体变形还是表面纹理粗糙程度都明显优化。

图6　操作屏外壳优化前后

4　结论

打印尺寸误差是影响3D打印零件投入实际应用的关键性因素，通过FDM类型打印机打印螺纹连接件的尺寸收缩实验，分析了不同部位误差及分散范围差异的原因，提出改进这种打印零件尺寸收缩缺陷的措施以达到零件理论尺寸实现应用的目的，以及不同零件不同结构部位进行3D打印时应注意的问题。另几点实际操作遇到的工艺问题及对这些问题提出建议，希望能给更多的人带来思索。

[1] Tong Kun,Joshi Sanjay,Lehtihet E. Amine Error Compensation for Fused Deposition Modeling(FDM) Machine by Correcting Slice Files[J]. Rapid PrototypingJ，2008，14(1)：4-14.

[2] 卢秉恒，李涤尘.增材制造(3D打印)技术发展[J].机械制造与自动化，2013(6):1-4.

[3] 何新英.熔丝沉积成型控制系统及工艺的研究[D].武汉：华中科技大学，2005.

[4] Galantucci L M,Lavecchia F；Percoco G. Study of Compression Properties of Topologically Optimized FDM Made Structured Parts[J]. CIRP Annals- Manufacturing Technology，2008，57(1)：243-246.

[5] 倪荣华.熔融沉积快速成型精度研究及其成型过程数值模拟[D].济南：山东大学，2013.

[6] 陈葆娟.熔融沉积快速成形精度及工艺实验研究[D].大连：大连理工大学，2012.

[7] 陈亚萍.FDM工艺出丝过程中影响丝宽的因素分析[J].特种成型，2007(2)：94-95.

[8] 贾振元,邹国林,郭东明,等.FDM工艺出丝模型及补偿方法的研究[J].中国机械工程，2002,13(23):1997-2000.

[9] 杨柏森.散热条件对FDM丝材粘结质量的影响研究[D].大连：大连理工大学，2014.

[10] 邹国林,贾振元,郭东明,等.FDM工艺精度分析与正交试验设计[J].电加工与模具，2001(4)：23-26.

[11] 高金岭.FDM快速成型机温度场及应力场的数值模拟仿真[D] .哈尔滨：哈尔滨工业大学，2014.

(编辑李秀敏)

FDM 3D Printing Dimension Error and Its Compensation Method Research

DONG Xiu-li，YIN De-qiang，FANG Hui，ZHANG Wen-jun

(College of Manufacturing Science and Engineering,Sichuan University, Chengdu 610000,China)

Taking the dimension error of the fused deposition molding of 3D printing parts, which is caused by the state of fluctuation of the print material, as the research's object, this paper takes the threaded connecting joints as the experimental instances, and analyzes the parametric modifications of the different printing positions which are caused by the heat bilges cold shrink of the printing materials. According to the comparison and analysis on the experimental data, the improvement of the accuracy of the 3D printing is put forward. Besides, some of the technical problems in the using of the fused deposition molding of 3D printing machine are described and analyzed. And the corresponding technical application advice is raised as well.

3D printing technology; dimension error; shrinkage

1001-2265(2016)08-0039-03

10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.08.011

2016-02-25；

2016-03-26

国家自然科学基金资助(51175356)；四川省科技支撑计划资助(2014GZ0114)

董秀丽(1990—)，女，山东菏泽人，四川大学硕士研究生，研究方向为增材制造技术及其应用，(E-mail)1316286755@qq.com；通讯作者：尹德强(1982—)，男，山东日照人，四川大学讲师，博士，研究方向为数值计算在先进制造装备中的应用，(E-mai)171458823@qq.com。

TH162；TG506

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