FDM成型技术

FDM成型技术（精选5篇）

FDM成型技术 第1篇

关键词：快速成型,填充轨迹,混合填充

1 引言

快速成型技术 (Rapid Prototyping, 简称RP) 又称快速原型制造技术, 是20世纪80年代中期发展起来的一种逐点或逐层成型方法制造物理模型、模具和零件的先进制造技术。快速成型 (RP) 技术是基于离散/堆积成型原理的新型数字化成型技术, 突破了传统加工中的成型法 (如锻压、冲压、拉伸、铸造、注塑加工) 和切削加工的工艺方法, 其本质是用积分法制造三维实体。依据计算机上构造的产品三维设计模型, 在其高度方向对其进行分层切片, 得到各层截面的轮廓线, 然后在快速成型设备上按照这些轮廓线, 或者用激光束选择性地切割一层层的纸, 或固化一层层的液态光敏树脂, 或熔化塑料粉、金属基/陶瓷基粉来烧结一层层的粉末材料;或者用喷射源选择性地喷射一层层的粘结剂、热塑性材料等, 从而形成各截面轮廓, 并逐步叠加成三维产品[1]。尽管可用多种工艺方法来实现, 但各种方法的基本原理都是一样的, 都是基于离散堆积的成型思想。

然而在RP工艺的扫描填充过程中, 经常有激光头和喷头的开关、电机的启停和加减速, 容易造成一定程度的过堆积/过烧或欠堆积/欠烧, 影响原型的成形精度和外观质量, 这种影响对于堆积相应性能较差的熔融沉积成型 (Fused Deposition Modeling, 简称FDM) 工艺尤为严重[2]。因此, 有必要优化扫描填充路径, 尽量减少喷头的开关和电机的启停。本文的研究内容为对优化填充扫描路径提出一种比较有效的算法。

2 平行线填充

在机械零件的型腔加工中, 行切法是一种常用的加工方法。它是用一组等间距的平行线与型腔轮廓边界求交点, 并以某种方式顺次连接所有的交点及轮廓多边形的顶点, 形成行切加工的刀具轨迹[3]。快速成型技术是一种采用材料逐层或逐点堆积制作零件的制造方法, 是用快速成型器械代替刀具, 使刀具轨迹成为扫描线, 利用某种材料使零件成型的加工方式。

要对零件的一个截面轮廓的内部进行扫描填充, 最简单的方法是顺序往返线扫描填充法 (如图1所示) , 从上至下逐行填充, 在扫描一行的过程中, 实体部分按设定速度扫描, 型腔部分, 喷头快速跨越空行程。这种扫描方式的基本思想与计算机图形学中的区域填充很相似。优点是:算法比较简单、速度快, 能够适应快速原型制造“快速”的要求, 对数据的处理简单且可靠[4];尤其是实心零件的加工, 热应力不易集中。但也有一些缺点, 对于有型腔结构的成型件, 由于要频繁地跨越内轮廓, 空行程太多, 经常有喷头的开关、电机的启停和加减速, 容易过堆积/过烧或欠堆积/欠烧, 影响原型的成形精度和外观质量。

3 偏置扫描填充

偏置扫描填充是沿着截面的轮廓线向实心部分一层一层偏置 (外轮廓向内偏置, 内轮廓向外偏置) 一个距离所得的填充路径 (如图2所示) 。应用在快速成型技术中的好处是生成的路径断丝次数少, 填充致密, 由于这种扫描方式的扫描线在不断地改变方向, 这就使扫描线的收缩量得以减小, 同时使由收缩而引起的内应力方向分散开, 从而有利于减少翘曲变形。尤其对于壁厚均匀的零件, 它生成的截面外形精度高, 能很好的解决成型过程中的变形、翘曲问题[4]。这种填充算法的空行程少, 喷头的开关、电机的启停次数相对较少, 不易过堆积/过烧或欠堆积/欠烧;并且快速成型的效率较高。

同时也存在以下缺点: 对于壁厚不均匀, 型腔较多的复杂零件, 这种路径生成算法就要处理轮廓偏置后带来的自交, 内轮廓之间、外轮廓与它所含内轮廓的相交问题, 以及偏置以后直线段的消失问题。这就涉及到了多边形的布尔运算问题, 使算法变得复杂, 生成路径所用的时间太长, 不适合快速原型的“快速”的要求[5]。目前的快速原型系统基本上不单独使用这种路径填充算法。

4 两种算法的轨迹在Z向混合填充

目前市场上FDM工艺的快速成型设备均采用平行线作为截面内部轨迹, 这种方式的填充算法在填充速度和快进速度之间要频繁地变换, 这样不仅会增加成型加工时间, 而且更重要的是, 对丝杠和控制系统的要求很高, 不但会引入较大的过渡过程误差, 还会加剧丝杠、轴承的磨损, 产生严重的振动和噪声, 有损运动机构的寿命。对于轮廓偏置线填充, 由于轨迹间距不可能无限小, 而每层都用偏置线填充, 在Z向尺寸变化非常小或者一直的情况下每层之间偏置线基本重合, 如此一来, 必定出现在加工出的实体中有一个沿高度方向Z上的稀疏带, 这势必影响到制件的物理性能。

结合上述两种基本填充轨迹的各自优缺点, 采用平行线和轮廓偏置线两种填充轨迹在Z方向交替填充, 如图3所示: 奇数层用平行线填充 (黑色图线) , 偶数层用轮廓偏置线填充 (蓝色图线) 。

喷头在填充过程中, 填充速度将决定每层的填充时间。在填充速度一定的情况下, 填充路径的缩短直接影响每层的填充时间, 从而影响加工效率。这种新的填充方法可改善实体截面填充效果, 以缓解只用平行线填充带来的负面影响;有助于改善实体精度、延长快速成型机寿命;同时还可以有效提高成型效率。

5 结论

针对均匀壁厚零件, 应用FDM工艺快速成型技术提出一种比较有效的截面内部填充路径的优化算法: 两种填充轨迹在Z向混合填充, 即奇数层用平行线填充轨迹, 而在偶数层用轮廓偏置线填充。这种方法对提高快速成型效率有重要意义, 同时在一定程度上改善了零件成型精度、改善了设备的工作状况, 延长寿命, 可添加到扩展的快速成型设备上。

参考文献

[1]邹国林, 郭东明, 贾振元.快速自动成型与快速模具制造技术[A].全国生产工程第八届学术大会论文集[C].1999.

[2]刘道远.快速成形中数据处理软件的研究与实现[D].泉州:华侨大学, 2006.

[3]谢明红, 贺显良.多边形填充扫描线算法在行切刀具轨迹中的应用[J].佳木斯大学学报, 2008 (2) :162-165.

[4]熊文俊.向形心收缩的变距偏置填充算法[D].武汉:华中科技大学, 2007.

塑料注射成型新技术的应用 第2篇

关键词：塑料制品 塑料注射成型 工艺技术

1 注射成型技术

注射成型技术是目前塑料制品加工领域比较先进的技术，其基本技术工艺是使用注塑机将热塑性塑料熔体在高压下注入到模具内经冷却、固化获得既定形状产品的方法。这种注塑技术较以往的传统技术有比较明显的优点：生产速度得以提高、生产效率也提高很多，在生产过程中自动化程度提高，能够成型的塑料制品品种丰富，很适合大型生产加工企业使用。

注塑成型方法一般是生产的末端环节，能够生成基本的塑料成品，可以不再进行加工就直接应用于需求终端。在注塑成型的产品中外形和纹理结构均比较清晰，能够满足于实际需要。

2 注射成型加工工艺特点

2.1 注射成型工艺的特点及其原理 第一，注射成型工艺技术能够生成形状复杂的塑料制品，其产品的尺寸及各种嵌件都比较精确，这种精密的注塑成型技术是领先其他技术的；其次，注射成型工艺技术在实际操作过程中自动化程度较高，这样不仅能够节约人力，而且大大提高了生产效率。

在塑料制品生产过程中，热塑性塑料与热固性塑料都是在流动状态下进行成型的。这就需要生产加工企业在原材料的采购、成型方法的运用和工艺条件的选择时，充分考虑其流动性。实际塑料制品的生产经验可以知道，不少塑料熔体在成型过程中都会发生一定程度的形变。合成树脂在生产工艺中对塑料性能起着很关键的影响作用；添加剂是改善性能使用的化学原料。

2.2 注射成型过程的工艺条件 第一，机筒、喷嘴和模具的温度要控制在合理范围内，适当的温度是塑料塑化质量的可靠保障。第二，塑化压力和注射压力在注塑成型过程中也很关键，掌握好压力是注塑模型质量的保障。第三，必须控制好成型周期，恰当的成型周期不仅能够调高塑料制品的质量，而且还能够缩短时间，提高效率。

塑料加工中的重要因素包括：温度、稠度、色料分布和熔体密度。一般是通过螺杆转动获得熔融塑料的能量，螺杆转动混炼在螺纹之间发生，塑性粒料表面被熔融塑化，当物料沿螺杆前进时，就重复着混合和剪切作用，直至塑料被完全熔融。

3 注射成型设备

目前在注塑成型行业机械设备比较繁多，按不同的外形可分为立式、卧式、角式和转盘式注射机。从其工作效能来看物料在机筒中被塑化的不同形式又可以分为柱塞式和螺杆式。大多数企业目前使用较为广泛的是单螺杆往复式注射机，这种注射成型机械设备的螺杆能够转动作业，而且其轴向往复能够提高注射塑料的搅拌效果。

3.1 合模装置 在成型过程中比较重要的工艺程序是合模。合模装置的主要功能是在承受住注射压力情况下闭合然后将制品取出。在现阶段生产实践中使用效果较好的合模装置有：肘杆式合模装置、液压式合模装置和液压一机械式合模装置。

3.2 注射装置 注射装置是熔融塑料达到一定程度，然后根据混合物配比将其注入产品成型模具，这个过程需要控制压力和速度以使塑料熔体能够顺利注入模具。目前来看在注塑生产工艺中采用的比较理想的注射装置是螺杆式预塑化器，该装置有很多优点，比如其熔融物质量恒定，能够保持高压和高速，而且还能够精确控制注射量，这些优点正是透明、薄壁制品和高生产速率所需要的。

4 注射成型工艺调整方法

4.1 注射保压时间、冷却时间 根据实际生产实践，注射时间在设定时要略大于螺杆完成注射行程移动的时间。保压时间是根据产品厚度来设定的，一般来说薄壁产品在成型时不用保压，不同的厚度可设定不同的保压时间。冷却时间在生产过程中也是依据产品厚度、模具温度、材料性能设定的，在实际生产中结晶型聚合物的冷却时间一般要少于无定型聚合物所需的时间。

4.2 注射压力、速度 在注塑成型过程中注射压力要保持宜低不宜高的状态，因为注射压力只要能提供足够动力来满足注射速度、使熔体能够顺利充满型腔就好，过高的压力可能会使制品内产生内应力。

注射速度是塑料产品外观质量的重要影响因素，要在综合考虑模具的几何结构、排气状况的基础上计算并设定合理的注射速度。

4.3 采用多级注射成型 注塑成型过程中要采用多级注射，一般来说产品需要三到四段的注射是比较合理的。这种多级注射成型技术是很可靠地，它结合了流道结构和模具排气状况等多种技术参数，经过缜密的计算得出的。

5 结语

随着工业技术的进步，塑料加工成型的技术也日益发生着变化，不断和其他领域的生产技术相互融合借鉴。注塑成型技术在实际生产过程中也不断改善，满足不同材质塑料的加工需求。由于注塑成型工艺技术的一系列优点，在塑料化工生产领域日渐受到企业的认可，应用范围也越来越广泛。

参考文献：

[1]陈鼎元.塑料成型加工工艺初探[J].化学工程与装备；2008.9.

[2]李彩虹.塑料成型加工技术与装备的研究现状及发展[J].南京工业职业技术学院学报，2005.2.

FDM成型技术 第3篇

近年来, 随着全球市场一体化的形成, 市场上产品的种类越来越多, 消费者的需求日新月异, 产品制造呈现出多品种小批量生产的状态。为了满足消费者需求, 快速响应市场, 就要求企业的制造技术有较强的灵活性, 且产品开发速度较快。

20世纪80年代后期, 快速成型技术作为新技术诞生, 它以自动、直接、快速、精确地将设计思想转变为具有一定功能原型或直接制造零件, 从而为零件原型制作、新设计思想校等方面提供了一种高效低成本的实现手段。该技术使得产的加工周期缩短 (加工周期节约70%以上) 、成本降低 (制造用降低50%) , 大大提高了制造业快速响应市场的能力。其中FDM熔融堆积成型以其使用、维护简单, 成本较低, 速度快, 积小且无污染等特点, 被广泛应用于家用电器、办公用品、模行业新产品开发以及假肢、医学、医疗、大地测量、考古等基数字成像技术的三维实体模型制造。但受成型设备、成型料、系统软件、制件精度与强度的限制, FDM制件只停留在品制造及装配实验等方面, 而无法跟生产达到无缝结合。此, 提高FDM成型制件的精度和强度对于未来制造业的发是非常有意义的。工作原理

11.1成型设

FDM成型机主要由加

工作台等组成。控制系统根据成型工艺驱使运动机构带着头沿着工件的轮廓运动, 与此同时供丝系统以一定的速度将材送入碰头加热室, 通过加热系统将丝材加热成熔融状态后喷头挤出, 沿着工件层轮廓涂抹在XY面工作台上, 同时工台做Z向运动, 每完成一个轮廓的扫描, 工作台下降一个工层的距离, 依此循环扫描, 最终形成物体模型。1.2成型工艺过程熔融堆积成型主要是系统根据零件的数据模型

FDM熔融堆积

将ABS或者PLA材料熔融, 并通过挤压、扫描, 一层层堆积最终形成实物的, 其工艺过程如图1所示。2成型主要误差分析及解决措施

根据FDM快速熔融挤压堆积成型可知, 影响FDM成型件精度的因素主要

项目来源:2014年福建省中青年教师教育科研项目, 项目名误差及后处理误差等, 如图2所示。2

FDM

快速成型工艺的第一步就

系统能够识别的STL格式, 而STL数据模型是利用小三角面片来逼近实体模型, 此过程采用近似法实现, 本身破坏了零件3D数据的真实性。该方法在处理纯平面的实体模型时基本没什么差别, 但是在处理曲面时却出现了较大的误差, 特别是一些复杂的曲面模型, 会在交接处出现缝隙、重叠和畸变等现象, 从而导致了模型的精度下降。2.1.2切片分层误差与传统的加工制造相似, 快速成型之前也需要进行零件成型

与传统的加工制造相的工艺编制, 并形成数控

(1) FDM的数控工艺文件用标准的CLI格式, 该数据是采用近似逼近曲线的方式拟合零件层轮廓, 该过程必然产生模型

.1预处理误差误差, 降低零件的成型精度。 (2) 分层后的Z向误差。分层, 即将零件的3D数据模型根

机电信息2015年第36期总第462期97据一定的标准分为若干等份, 一般我们设置为每层0.2、0.25、0.3等。当实体的模型正好为分层厚度的整数倍时, Z向尺寸误差极小, 可不考虑。但是当其为非整数倍时, 多出来的部分无论大小, 将用一个分层厚度来填充, 这将给零件加工前的处理进一步带来误差。当然, 对于简单的零件我们可以取一个刚好是整数倍的参数进行加工, 但成型件结构并不是一成不变的, 这就要求我们有一个智能的分层系统, 能够自行处理数据模型中的不同数据, 以保证工艺文件精度最佳, 从而保证加工精度。

(3) 分层后的表面粗糙度问题。在对STL文件进行切片时, 会破坏零件表面的连续性, 同时丢失了层与层之间的数据, 导致模型的形状精度受到影响, 同时在成型过程中将会引入阶梯误差, 大大增大零件的表面粗糙度。针对该情况可以减小分层厚度来削弱误差, 但会使加工效率大大降低。

2.2成型过程中的误差

2.2.1成型系统误差

成型系统主要指的是加工设备的机械系统, 其为成型过程的基础元件, 其硬件设备的精度直接影响到成型精度。成型过程中主要是喷头沿XOY面的扫面运动及工作台的Z向运动, 其误差主要包括以下两方面:

(1) XY面的平面度及其与导轨的垂直度。该误差会使工件的形状精度受到影响。

(2) Z向运动误差及定位误差。Z向运动误差会使成型厚度不均, 导致零件表面的阶梯误差变大, 影响工件的表面粗糙度。

2.2.2喷头引起的误差

喷头误差会导致成型件尺寸比设计尺寸大。在对STL文件进行分层时二维轮廓线是理想轮廓状态, 即零宽度, 然而在加工的过程中, 喷头喷出的熔融态丝材是有一定宽度的, 相当于挤出丝截面的宽度, 所以当喷头沿理想轮廓线进行扫描时, 最终形成的实体都会多出一个喷头线宽。

式中, W为丝截面宽度;D为喷头直径;h为分层厚度;Vj为挤出速度;Vs为扫描速度。

2.2.3材料收缩导致的误差

FDM成型过程中材料经过加热熔融、挤出成型和冷却固化三个基本步骤, 即固体—熔体—固体的物理变化过程, 其主要产生热收缩和分子取向收缩两种误差。

(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, 由热收缩引起的收缩量为:

式中, β为材料的线性膨胀系数 (/℃) ;L为零件X向尺寸 (mm) ;ΔT为温差 (℃) 。

(2) 分子取向收缩。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。XY方向的材料收缩量为:

式中, β为考虑实际零件尺寸的收缩受到成型件形状、尺寸、成型过程的工艺参数设置以及每一层成型时间长短的交互影响, 可通过实验进行估算;δ1为材料XY方向的收缩率。

2.2.4工艺参数误差

FDM成型过程中, 影响成型件精度的工艺参数很多, 主要应考虑11个比较重要的因素, 即分层厚度、喷嘴直径、喷头温度、环境温度、挤出速度 (又称沉积速度) 、填充速度 (指轮廓扫描速度或打网格速度) 、理想轮廓线的补偿量、填充方式、网格间距、开启延迟时间、关闭延迟时间等工艺参数。很多研究者已经对各个工艺参数的含义进行了详细的阐述, 这里不重复介绍, 本文主要介绍主要工艺参数对成型件精度的影响。

(1) 成型温度包括喷头温度和环境温度。喷头温度必须使丝材保持在一个合理的熔融状态, 并配合挤出速度等均匀挤出丝材, 否则会导致出丝不均, 从而使表面质量下降。而环境温度也同样影响成型件的表面粗糙度, 如果温度过高, 零件表面会产生“坍塌”与“拉丝”现象;如果温度太低, 容易引起零件翘曲变形甚至开裂等。

(2) 挤出速度和扫描速度分别指的是丝材挤出喷嘴和随喷嘴运动的速度, 在快速成型过程中, 二者应该处于一个合理的匹配范围, 否则会造成材料的过剩或不足。

(3) 成型方向。FDM快速成型对制件的成型精度影响很大, 一般垂直与Z向的表面轮廓精度和表面粗糙度均有较高的质量, 因此在成型过程中, 最好将主要配合表面沿Z向成型, 以确保制件质量处于最佳状态。

2.3后处理误差

成型好的工件还需要进行后处理, 这样就会引入一些新的误差, 如剥离支撑结构时表层的剥落与刮伤, 对主要表面进行修补、打磨、抛光和表面处理时造成的尺寸精度和形状精度的变化等。

3结论

本文根据FDM快速成型的成型工艺, 从数据模型预处理、成型过程及工件后处理三方面分析了影响成型件精度的各种因素, 为成型过程提供了一定的参考。

(1) 对于预处理误差, 主要是3D数据模型及切片数控程序, 需要考虑好加工精度和加工效率的关系, 合理选择文件的类型及参数, 以保证加工的合理进行。

(2) 成型过程中的影响因素较多, 要在确保设备及喷头精度的基础上, 针对不同的材料及零件结构, 合理选择成型参数及成型方向, 保证工件的主要配合面, 防止工件的翘曲变形、表面塌陷等现象, 保证表面质量、形状精度及尺寸精度。

(3) 选择合理的后处理工艺, 防止刮伤甚至是破坏工件, 以保证处理后的工件精度。

摘要：主要根据FDM熔融堆积成型的工艺过程, 分析了产品从预处理到成型过程再到后处理的主要误差及影响因素, 为FDM成型工艺的优化及成型精度的提高提供了有效依据。

关键词：FDM,精度,原理

参考文献

[1]李永庆, 史廷春.FDM成型机原型精度控制[J].机床与液压, 2010, 38 (23) :65-66, 73.

[2]钟山, 韦宁, 邓小林, 等.快速成形制造技术的新进展[J].梧州学院学报, 2010, 20 (3) :23-28.

FDM成型技术 第4篇

熔融挤出成型工艺（Melted Extrusion Manufactuning)MEM(FDM）具有成型设备维护方便、成型材料广泛、自动化程度高且占地面积小等优点，被广泛应用于产品开发、快速模具制作、医疗器械的设计开发及人体器官的原型制作等多个领域。在MEM(Melted Extrusion Manufactuning）实际加工过程中发现，喷头在扫描拐角或曲率半径较小的圆弧路径时，扫描速度减小而挤出材料的速度无变化，导致单位时间内挤出到工作台上的材料增多，在挤压作用下使得成型丝宽度变大[1]，超出精度范围，最终影响产品的力学强度、孔隙率和贯通性等，降低产品质量。

为此本文设计了一种MEM成型丝宽精度模糊控制系统，以提高成型丝宽度的精度，从而提高产品质量。

1 MEM成型丝宽度控制系统工作原理

MEM成型丝宽度模糊控制系统的工作原理如图1所示。控制系统测量出当前成型丝的宽度，反馈到比较器并与给定的成型丝宽度值D比较得出偏差e；然后将偏差e送入控制器进行处理得出输出量；最后作用于执行器，控制被控对象的输出值D′的相应变化，保证成型丝宽度满足精度要求。

由于MEM工艺采用热塑性材料，膨胀系数大，直接测量成型丝宽度难度大且易引入不必要的误差。因此，本文根据成型丝的宽度D、挤出速度u和填充速度v的匹配关系得到：

其中：d为挤出丝的直径。通过检测挤出速度u和填充速度v间接得到成型丝宽度D，实现系统的反馈。

由于成型丝宽度受多种因素影响，对于不同材料、在不同工况条件下，满足公式（1）的工艺参数不尽相同。本文针对当前工艺，给出满足匹配关系的主要工艺参数，如表1所示。

2 模糊自整定PID控制器设计

模糊自整定PID控制器是在PID控制算法基础上结合模糊控制理论，运用专家知识进行推理，根据当前状态实时改变PID参数，其动态响应品质优良，具有良好的自适应性和鲁棒性且不需要精确的数学模型，适合控制由步进电机驱动的MEM喷头装置。模糊自整定PID控制系统结构框图如图2所示，主要分为确定输入输出量、模糊分割、模糊规则、模糊推理和解模糊化5个部分[2,3]。

选择偏差e和偏差变化率c作为模糊控制器输入量，dKp、dKi、dKo为输出量；采用区间变换和离散化，实现模糊分割；再根据隶属函数实现输入量的模糊化。

模糊控制规则是模糊控制器的核心，它根据经验和知识推理，将人的大量成功控制策略整理、加工和提炼；再结合当前平台，用输入、输出变量的模糊状态加以描述，得出控制规则[4]。

在实际控制中，模糊化、模糊推理和解模糊化等整个过程计算繁琐，耗时较多，在线进行不能满足控制系统的实时性要求，影响控制精度。因此，对模糊控制器采用离线计算的方式，得到所有输入情况下对应的输出精确量，汇总成模糊控制表；并将控制表作为文件存储在控制器单片机中，实际控制时只要通过对输入变量的量化和查表两个步骤，就可以得到精确的控制值[5]，该控制方法简单方便，实时性好。

3 成型试验和分析

首先，搭建成型丝宽度模糊控制系统。选用欧姆龙E6B2-CWZ6C编码器实时检测扫描电机速度，分辨率为1 000p/r；控制器单片机选用STC12C5A32S2,2个16位定时/计数器，2路PCA可再实现2个定时器；喷头挤出电机选用北京斯达微步控制技术有限公司的17HS101步进电机；步进电机驱动器选用DM422C的雷赛步进电机驱动器。编写程序及调试，完成系统搭建。

然后，设计包含较小不同曲率半径的三维模型进行成型试验，三维模型如图3(a）所示。选取主要成型参数有：喷头直径为Φ0.80mm，扫描速度为30.00mm/s，挤出速度为33.60mm/s，其他主要参数如表1所示。分别使用改进前的原系统和改进后的模糊控制系统进行成型试验，成型试样如图3(e）所示：图3(b）、（c）、（d）、（i）、（j）、（k）、（l）是改进前系统曲率半径分别为0mm、1mm、2mm、3mm、4mm、5mm、无穷大时成型丝微观图，图3(f）、（g）、（h）、（m）、（n）、（o）、（p）是改进后系统曲率半径分别为0mm、1mm、2mm、3mm、4mm、5mm、无穷大时成型丝微观图。

图3中用深色双向箭头标识成型丝的宽度，可以看出：（b）比（f）、（c）比（d）、（g）比（h）的宽度明显大、而（i）和（m）、（j）和（n）、（k）和（o）、（l）和（p）的宽度无明显差别；说明原系统在扫描曲率半径较小路径时成型丝宽度变大。此外，图3(c）凹凸不平，图3(b）、（i）和（j）中出现重叠、褶皱现象，如图3中浅色箭头标识处，严重影响成型质量，而图3(f）、（g）、（h）、（m）、（n）、（o）和（p）表面光滑无不良现象，说明改进后系统对成型丝的质量有明显改善。

最后，对系统改进前、后成型试样的丝宽进行测量和拟合，如图4所示。对比分析发现：采用改进后的模糊控制系统使成型丝宽度在扫描任意曲率半径时均能满足精度要求，成功解决了原系统在曲率半径小于3mm时不满足精度要求的问题，达到了预期的目标。

4 结论

(1）采用间接法在线测量MEM成型丝宽度是可行的。由于热塑性材料膨胀系数大，直接测量成型丝宽难度大；通过测量扫描速度和挤出速度，再根据可靠的匹配关系间接得到成型丝宽度，测量方法简便易实现且避免引入不必要的误差，为系统的设计提供了一种新的方法。

(2）针对被控对象为步进电机驱动的MEM喷头装置，模糊自整定PID控制器不受精确数学模型的限制，能根据当前实际情况实时调整控制参数，其动态响应品质优良，具有良好的自适应性和鲁棒性，控制效果良好。

(3）模糊控制系统能有效改善成型丝的精度问题，解决原系统在扫描曲率半径小于3mm的路径时不满足精度要求的问题，达到预期效果。同时，为增材制造领域其他相似成型工艺的精度控制提供有用参考。

参考文献

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[2]Savran A,Kahraman G.A fuzzy model based adaptive PID controller design for nonlinear and uncertain processes[J].ISA Transactions,2014,53(2):280-288.

[3]段英宏,杨硕.步进电动机的模糊PID控制[J].计算机仿真,2006,23(2):290-293.

[4]Karasakal O,Guzelkaya M,Eksin I,et al.An error-based on-line rule weight adjustment method for fuzzy PID controllers[J].Expert Systems with Applications,2011,38(8):10124-10132.

FDM技术制造高精度零件的方法 第5篇

本文采用一种新的FDM复合成型工艺:将FDM技术与铣削工艺相结合, 采用边堆积边铣削的加工工艺来解决影响成型零件精度的缺陷, 使直接成型出的零件的精度得到较大的提升, 使其达到实际应用的精度标准。

1 结合铣削的熔融沉积制造工艺

为了提高零件成型精度, 本文采用边堆积边铣削的加工工艺。成型开始时, 挤出机由传动系统带动下降到工作位置后开始工作, 按照轮廓和填充轨迹堆积完成一层零件后, 挤出机停止工作并由传动系统带动上升一定高度, 然后移动到铣削位置, 铣刀按照零件的成型路径对零件当前堆积层的顶面和侧面进行铣削, 这样既保证下一层零件堆积顺利, 又可保证零件的成型精度。铣削完成后, 再移回到堆积位置, 挤出机下降至工作位置开始堆积下一层零件, 如此反复, 直至零件成型结束。

2 复合工艺对成型精度提升程度的实验研究

零件的成型精度是指成型后零件的实际几何参数与理想几何参数的相符程度[4]。通过多次试验详细分析零件的整个成型过程, 对零件成型精度影响较大的因素主要是材料堆积过多和阶梯状表面。

2.1 材料堆积过多问题研究

喷头启停点的节瘤现象 (如图1 (a) 所示) 、同一层中相邻材料间隙小于零引起的表面凹凸不平现象 (如图2 (a) 所示) 都是材料堆积过多引起的缺陷。材料堆积过多严重影响零件的表面质量, 而凹凸不平的表面会导致喷头出现堵塞现象从而影响零件的加工。为保证成型过程顺利, 通常使相邻材料之间有足够的间隙, 特别是在堆积轨迹的转弯处, 更应保证相邻材料之间的间隙, 但这样加工出的零件内部存在较多间隙, 零件强度较低。加入铣削之后, 如图1、图2可以发现, 材料堆积过多的问题可以通过铣削轻松解决。因此采用复合成型工艺, 在堆积时可以减小材料之间的间隙, 使相邻材料适当重叠, 对于提高成型零件的密度和强度有很大的优势, 而且得到的零件的表面质量较之先前也有很大提升。

2.2 阶梯状表面问题研究

阶梯状表面缺陷又称为台阶效应, 分层切片时的分层厚度是导致其出现的直接原因。层厚越小, 台阶效应越弱, 分层数越多, 成型时间越长。因此通过减小层厚只能相对的减弱台阶效应, 而不能彻底消除它。

加入铣削工艺可以有效的解决台阶效应。成型时用较大的层厚进行堆积, 再以较小的层厚对当前成型件进行铣削, 这样既可以缩短成型时间, 又可以大幅度提高成型精度。如图3、图4所示, 图3是以0.3mm的层厚堆积成型的零件, 其表面台阶效应明显;图4是以0.1mm的层厚重新分层进行铣削后得到零件, 其表面已基本上看不出有台阶效应。铣削时的层厚较堆积时的层厚小, 可看作是变相的减小层厚, 台阶效应必然随之减弱。以上述两图为例, 以较小的0.1mm的层厚来重新分层进行铣削可看作是将原先的一层零件分为三层来进行堆积。

3 复合工艺存在的问题及解决方法的研究

实验发现铣削完成后的零件片层表面有时会出现一些小的毛刺, 导致零件表面粗糙, 并且影响下一层零件的堆积。

通过实验分析, 导致上述现象产生的主要因素是铣削方式和铣削力。对零件进行铣削时, 主要有顺铣和逆铣两种方式。逆铣时切削厚度由零逐渐增大, 铣刀切入时会在零件表面滑动一小段距离, 滑动产生摩擦, 导致零件表面粗糙。顺铣时切削厚度由最大逐渐减小, 切入过程中没有滑动, 零件表面不易产生毛刺, 表面质量好。

4 结论

本文提出的将FDM技术与铣削相结合的加工工艺, 能够彻底有效的解决传统FDM加工中存在的问题, 最终成型零件的精度能够有较大的提升。结合铣削的快速成型工艺适用于较大型零件的加工。在成型零件尺寸较大的场合, 挤出机喷头较大, 出丝宽度大, 出丝速度快, 加入铣削后零件的成型精度会得到显著的改善。

摘要：通过在FDM成型实验台上进行的多次试验, 找出影响零件成型精度的主要缺陷, 并分析缺陷产生的原因。针对这些缺陷, 提出一种新的结合铣削的熔融沉积制造工艺。结合传统改善方法, 对比分析新工艺的可行性和实用性。

关键词：FDM技术,成型精度,铣削工艺

参考文献

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