FDM单喷头3D打印成型误差研究

发布时间：2020-11-03 19:23

　　 近年来,基于熔融沉积快速成型技术(FDM)的3D打印机因软件开源、操作环境干净、购置及打印成本低廉等优势而得到普及应用。FDM-3D打印制成的产品也不可避免地存在原理性误差、数据处理误差以及加工误差。原理性误差一般通过减小分层厚度来控制;数据处理误差一般可根据成型精度要求来设置输出参数,以追求成型精度与加工效率之间的平衡。本文以FDM-3D打印的加工误差为研究重点,首先分析FDM-3D单层面体打印几何误差的来源并进行相关检测,提出切实可行的机床精度治理方法;然后通过FDM-3D打印、精度检测等实验研究以及数学处理,建立优化工艺参数下单层面体曲线轮廓几何误差的预测模型;再依据误差预测模型提出合理精度下曲线轮廓的折线自动拟合手段,推导出基于人为设误的几何误差修正数学模型;再根据修正后的折线轮廓给出了自动生成高精度公式曲线的方法;最后,实验验证了研究成果对提高FDM-3D单层面体打印精度的有效性。主要研究内容及成果有:(1)从机械结构、软件开源、成型精度及性价比等方面,对两种型号的主流桌面级FDM-3D打印机进行了比对分析,阐述了提高Kossel型FDM-3D打印机成型精度的必要性,分析了对其成型模型几何精度造成影响的各种因素。(2)根据Kossel型FDM-3D打印机的机械结构特点及运动方式,对与工艺系统初始状态有关的原始误差——机床几何误差进行了分类,分析出影响整体成型精度的主要误差项目;利用自行设计制造的转接架,对部分机床几何误差项目进行了检测;对静平台水平度、动平台初始位置相对于静平台的平行度进行了精度治理,检测结果表明精度治理使得动平台运动的进给精度同时得到了改善。(3)基于析因实验方法设计了三因素两水平的23组试验,全面考察分层层厚、喷头温度、打印速度三个因素的主效应与因素之间的交互效应对单层面体轮廓几何精度的影响,综合考虑成型效率得到层厚0.06 mm、喷头温度190℃、打印速度60 mm/s的最优工艺参数组合。(4)根据概率理论对误差进行了合成,结合试样精度检测结果,得到优化工艺参数下单层面体轮廓几何误差的预测模型;基于CAXA-WEDM软件对试样曲线轮廓进行在设置值为0.01 mm精度下的折线自动拟合;基于最小二乘法构建折线顶点坐标修正的数学模型;基于Table Curve-2D软件自动生成保形性好、相关度高且剩余标准误差小的修正折线高精度公式曲线,以保证文件传递的简约性。(5)进行修正前后的FDM-3D打印实验,结果表明应用本文的修正方法,单层面体打印精度接近0.1 mm,有效的提高了此型3D打印的成型精度。应用本文的研究成果,在不增加硬件成本的前提下可使FDM-3D打印件的单层面体几何精度得到提高,这对于FDM-3D打印机的进一步推广应用是大有裨益的。
【学位单位】：南华大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TH164
【部分图文】：

激光烧结型（SLS）、光敏树脂固液化成型（SL）、数字光处理（DLP）、分层实体制造（LOM）等[28~29]。随着先进技术的储备，3D 打印产业链的不断完善，针对成型系统、设备、基础部件、材料的持续研发，3D 打印发展出许多新型的成型工艺。开放式 3D 打印机（OAM）如图 1.1 所示，其主要特点是成型系统的体积不受其打印物体体积大小的限制，进行材料填充的打印机喷头不受空间位置的限制，在此基础上还能保证极高的打印成型精度，能够实现大尺寸结构的 3D 打印直接成型。该打印设备以无人机装载打印喷头，配备有持续性的供料系统保证成型所需要的可黏合材料的供给，可以应用在大型建筑、太空设备、海底建筑等多种场景的加工成型。

图 1.2 工艺混合流水线Fig. 1.2 Process blending pipeline材料混构 3D 打印机（MMSLM）如图 1.3 所示，在 SLM 打印设备的基础上来实现材料混构，能对多种不同材料间进行合金化或嵌套化的激光熔覆成型，可根据需要成型不同性能的物体或零件。该成型工艺在构建金属器件的空间中形成了立体像素（体素），体素可根据不同的需求由相应的材料构成，构成方式可分为金属间化合物和晶格嵌套两种。该成型工艺快速灵活的机械设计成型特点使其适用于研究、开发、生产等多领域，特别是对提升不同粉末混构金属器件的性能上有突出作用。

图 1.2 工艺混合流水线Fig. 1.2 Process blending pipeline材料混构 3D 打印机（MMSLM）如图 1.3 所示，在 SLM 打印设备的基础上来实现材料混构，能对多种不同材料间进行合金化或嵌套化的激光熔覆成型，可根据需要成型不同性能的物体或零件。该成型工艺在构建金属器件的空间中形成了立体像素（体素），体素可根据不同的需求由相应的材料构成，构成方式可分为金属间化合物和晶格嵌套两种。该成型工艺快速灵活的机械设计成型特点使其适用于研究、开发、生产等多领域，特别是对提升不同粉末混构金属器件的性能上有突出作用。
【参考文献】

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本文编号：2869001