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FDM 3D打印尺寸误差及其工艺补偿方法浅析(二)

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 ,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:

        A S=[(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6ram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。

试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)PIJA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。
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。

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