基于胶水盒的FDM成形工艺实验研究

【前言】基于胶水盒的FDM成形工艺实验研究由文秘帮小编整理而成，但愿对你的学习工作带来帮助。0 引言 快速成形技术自上世纪80年代以来得到迅速发展[1]，目前已具有多种类型，主要在新产品试制、医疗领域、快速翻制模具等方面应用广泛。本论文基于产品胶水盒的试制，探究模型放置方式以及Point reduce tolerance等对FDM成形质量的影响，力争为后续的快速成形制造...

摘要： 在产品胶水盒的FDM试制实验中，探讨模型放置方式对制件成形的影响及Point reduce tolerance对成形速度和成形质量的影响。指出，实际模型制作时应综合考虑制作成本、快速性、制件精度等方面灵活选取模型放置方式以及合适的Point reduce tolerance参数值。

Abstract： In the trial experiments of glue box by FDM， this paper explores effects of model placement ways to parts forming and also effects of point reduce tolerance to forming speed and forming quality. It points out that we should take the costs， rapidity， precision and other aspects into account and select the model placement ways neatly and appropriate parameter values of point reduce tolerance in the actual model making.

关键词： 胶水盒；FDM；放置方式；Point reduce tolerance

Key words： glue box；FDM；placement ways；Point Reduce Tolerance

中图分类号：TG113.25+3 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）11-0021-02

0 引言

快速成形技术自上世纪80年代以来得到迅速发展[1]，目前已具有多种类型，主要在新产品试制、医疗领域、快速翻制模具等方面应用广泛。本论文基于产品胶水盒的试制，探究模型放置方式以及Point reduce tolerance等对fdm成形质量的影响，力争为后续的快速成形制造技术研究提供一定帮助或参考。

1 实验部分

1.1 实验设备 实验中采用美国Stratasys公司的双喷头FDM200mc（前期论文已给过图片），成形材料（model material）是ABS，支撑材料（support material）是溶于强碱的可溶性支撑材料。实验主要参数：分层厚度0.25mm，喷嘴直径T12，支撑采用低密度网格结构。

1.2 实验步骤 FDM快速成形基于分层堆积原理[2]，其基本工艺步骤是先通过三维软件（如pro/e、ug、catia等）在计算机上建立好所设计产品的三维模型（或者通过三维扫描和去噪声点等处理得到产品的三维模型），然后将产品模型保存成通用的STL数据格式，再经FDM前处理、堆积过程、产品后处理即可得到所设计产品的实体模型。

实验中的胶水盒模型，其FDM制作工艺步骤图解如图1所示。

1.3 实验结果 最终得到的胶水盒实体模型如图2所示。

2 讨论分析

2.1 模型放置方式 模型放置方式的不同，不仅直接关系到支撑材料的使用量，而且影响到台阶表面生成的纹理方向，从而涉及到模型受剪切力时承受强弱的层面方位。对于一些用于力学性能测试或者某些重要表面明确有质量要求时，需综合各个方面进行权衡，选择合适的模型放置方式来成形制件。论文以胶水盒为例，从堆积过程中成形实体轮廓和支撑边界变化两方面探讨胶水盒卧式放置与立式放置的区别。

如图3所示的卧式成形方式，每层轮廓边界都是逐步向外延伸，考虑到论述方便，选择第19、23、31层进行对比分析。图中可见，成形前先堆积支撑边界，而且支撑边界在基本支撑层数上呈锯齿状不断向外扩散，成形实体轮廓才不断扩大并向外延伸。也就是说材料是一层一层向外堆积开去，因此极易形成台阶表面，如图5所示。显然这很大程度上影响制件的表面质量，对于质量要求高的制件甚至是不能接受的，当然这种情况可以通过后处理进行一定修正。

而且此方式下如果使用的支撑材料稍有受潮时，层与层之间的粘结强度变弱，当某一层未能成功粘住上一层时，直接导致下一层支撑堆积离散，最终形成如图4所示的支撑坍塌现象。于是，成形材料的堆积因此受影响，成形材料不断往下掉来充当当前层支撑的作用，使得成形材料离散且松动（如图5所示），最终致使成形件精度变差甚至无法成形。

但本实验中考虑到节约材料以及台阶效应可通过后处理方法弥补，并通过更换新的支撑材料以确保支撑稳固有效，仍然选择此方式成形制件。

如下图6所示的立式成形方式，为方便讨论，选取模型制作中的第117、123、128层进行对比。发现在此方式下每层成形实体轮廓以及支撑边界变化很小，堆积完成后的台阶效果不至于很明显，得到的表面精度相对较高，因此理论上堆积效果更佳。

但如图7（a）所示，立式放置时模型整体的重心更高，在需要更多支撑材料的同时，对支撑的可靠性及刚性提出更高的要求。若实验中使用的支撑材料稍有受潮影响到粘结强度或者机器扫描变化产生震动时，都可能引起这么高的支撑不够牢固可靠，从而致使成形失败，因此实验中只做出部分样件，如图7（b）所示。

因此，对于给定的一个模型，在确定采用哪种放置方式前，应综合考虑制造成本、快速性、制作成功率、模型的表面质量要求等方面。

2.2 轮廓节点数量 快速性是快速成形技术的一大特点，相对机械切削加工、模具成形加工等在快速性方面具有比较强的优势。喷头的运行速度是影响快速性的一个方面，笔者在实验中发现通过前处理软件insight中的过滤工具，进而减小Point reduce tolerance值可适当提升喷头运行速度。

如图8所示，增大Point reduce tolerance此项参数值，同一层的轮廓边界上节点明显变稀，节点数量明显减少，表明喷头沿着刀具路径进行扫描时变向次数减少，从而运行速度提高，而且可以适当减小机器变向时的震动，在一定程度上还有利于制件的表面精度提高。同时变向次数减少对于延长机器零部件的使用寿命，诸如减少喷头在导杆上的移动次数、皮带的传动次数从而减少磨损等均是有利的。但由于此时每段轮廓边界线插补时节点间距增大，形状精度和尺寸精度则有一定程度的下降。所以应该在保证制件精度的同时选择合适的此项参数值至关重要，一般情况下默认为0.005。

3 结束语

在胶水盒的FDM成形实验中，探讨了模型放置方式及轮廓节点数量对成形的影响。指出实际的产品模型应综合考虑制造成本、快速性、制作成功率、样件的表面质量、精度要求等进行合理选择卧式或者立式成形；通过insight软件进行轮廓节点过滤在一定程度上能够提升成形速度和使用寿命，但可能会损耗一定的精度，因此应该综合考虑选择合适的Point reduce tolerance参数值。

参考文献：

[1]穆存远，李楠，宋祥波.熔融沉积成型台阶正误差及其降低措施[J].工艺与检测，2010（9）：91-93.

[2]张永，周天瑞，徐春晖.熔融沉积快速成型工艺成型精度的影响因素及对策[J].南昌大学报，2007（9）：252-254.

[3]纪良波，周天瑞等.熔融沉积快速成型软件系统的开发[J].塑性工程学报，2009（6）：192-197.