FDM成形件精度预测模型的建立
熔融沉积成型(FDM)精度影响因素分析及补偿方法探析
工艺与装备103熔融沉积成型（F D M)精度影响因素分析及补偿方法探析张德龙(甘肃机电职业技术学院，天水741001)摘要：本文从F D M打印原理、过程、参数设定、打印后处理等多个方面分析影响打印精度的因素，提出 改进补偿措施，具有一定的参考意义。
关键词：熔融沉积成型精度补偿打印精度随着3D打印技术的不断发展与成熟，3D打印应用越来 越广泛，因此提高3D打印的精度越发重要。
鉴于它的成型 机理与成型材料等多方面原因，通过3D打印技术制造的零 件精度及强度相对于传统机械加工仍然存在一定差异。
尤 其是F D M打印的工件，更容易产生尺寸和形状误差，降低 了制造精度。
本文将从F D M打印原理、打印过程、参数设定、打印后处理等方面，分析影响精度的因素，提出改进措施，为进一步提高3D打印零件精度提供参考。
1FDM介绍溶融沉积成型（Fused Deposition Modeling，简称 FDM)又称为熔丝沉积，是当前应用最广泛的3D打印技术。
它的打印材料通常为ABS、PLA、尼龙等，具有成形速度快、价格低廉、易于实现等优点。
F D M打印时，在加热条件下把热熔性的细丝材融化，再通过挤出机的微形喷嘴挤出。
喷头沿打印件填充分层面 和内外轮廓分层面运动（X轴方向），工作台则沿Y轴、Z轴方向运动。
熔融的丝材被逐层堆积在热床上，按分层 次序由底层到顶层逐层堆积并固化、粘合，形成实体工件。
在一层丝材堆积粘合固化后，工作台将按设计行程下降一个分层厚度，然后再重复“堆积_粘结-下降”动作，直到工件打印成型，如图1所示。
因为F D M工艺无需激光系统的支持，所用的成型材料也相对低廉，所以总体性价比较高。
设备。
一个喷头使用较精细的丝材，打印工件轮廓；另一 个喷头使用相对较粗的丝材，打印支撑部分。
使用两种丝 材打印，能够降低材料成本和提高打印效率。
用于打印工件轮廓的较细丝材，价格高，沉积效率低；而用于支撑部 分的丝材，价格较低，沉积效率高。
FDM 3D打印成型精度试验研究与优化
FDM 3D打印成型精度试验研究与优化
周石林;张秀芬;刘海
【期刊名称】《内蒙古工业大学学报:自然科学版》
【年(卷),期】2022(41)4
【摘要】用均匀设计法设计试验,将打印层厚、打印速度、喷头温度、热床温度四个主要工艺参数划分为9水平参数,进行打印试验,将成型试件实际尺寸与设计尺寸的差值与实际尺寸之比作为Z向收缩率,以评价成型件成型精度,收缩率越小代表打印精度越高。
运用SPSS软件对Z向收缩率及各工艺参数进行回归分析,获得了最优工艺参数,以PLA线材进行打印试验,结果表明,当打印层厚为0.1 mm、打印速度为60 mm/s、喷头温度为202℃、热床温度68℃时,3D打印成型件的Z向收缩率相对最小,成型质量最好。
【总页数】7页(P339-345)
【作者】周石林;张秀芬;刘海
【作者单位】内蒙古工业大学机械工程学院;内蒙古自治区先进制造技术重点实验室
【正文语种】中文
【中图分类】TH
【相关文献】
1.一种基于FDM技术的3D打印机成型精度的研究思路
2.复杂成型曲面FDM-3D 打印精度控制研究
3.基于3D打印技术的FDM薄板塑件表面成型精度试验研究
4.
基于正交试验的PLA材料FDM成型工艺参数优化研究5.基于正交试验的PLA材料FDM成型工艺参数优化研究
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FDM快速成型加工工艺问题研究
FDM快速成型加工工艺问题研究1. 引言1.1 研究背景FDM（快速成型加工）技术是一种广泛应用于快速原型制作和小批量生产的先进制造技术。
随着3D打印技术的快速发展，FDM技术也逐渐受到广泛关注和应用。
尽管FDM技术具有诸多优点，如成本低、制作速度快、制作过程简单等，但也存在一些问题和挑战，例如造成制品表面质量不佳、制品尺寸精度不高等。
为了进一步提高FDM技术的成型质量和效率，需要深入研究FDM技术的原理、存在的问题以及优化研究。
FDM材料的选择与性能对成型质量和制品性能也具有重要影响，需要进行深入探讨和分析。
本文旨在对FDM技术进行深入研究，探讨其存在的问题及解决方案，优化工艺参数以提高成型质量，研究不同材料对制品性能的影响，最终为FDM技术的进一步应用提供理论指导和实践经验。
1.2 研究目的FDM快速成型加工技术是一种广泛应用于原型制作和小批量生产的快速成型技术，但在实际应用中仍然存在一些问题和难点。
本文旨在通过对FDM技术的原理、存在的问题、工艺参数优化研究、材料选择与性能研究以及工艺与制品质量关系的分析，深入探讨FDM快速成型加工工艺中存在的问题，并寻求解决方案。
具体研究目的如下：1. 分析FDM技术的原理，深入了解该技术的工作原理和特点，为后续对问题的解决提供理论基础。
2. 探讨FDM技术中存在的问题，包括外形精度、强度、表面质量等方面的不足，寻找解决方案。
3. 研究FDM工艺参数的优化，提高零件的成形质量和性能。
4. 对不同材料的选择与性能进行研究，提高零件的耐用性和稳定性。
5. 分析FDM工艺与制品质量之间的关系，为进一步改进工艺提供依据。
通过以上研究目的的实现，我们希望能够为FDM快速成型加工技术的发展和应用提供有益的参考和指导。
2. 正文2.1 FDM技术原理分析不足的提示、空行等。
感谢理解。
FDM（Fused Deposition Modeling）即熔融沉积建模技术，是一种常见的快速成型加工技术。
FDM快速成型加工工艺问题研究
FDM快速成型加工工艺问题研究FDM快速成型技术是一种基于CAD设计的快速成型加工工艺，其主要特点是材料加工速度快且成本低，因此在制造领域中得到了广泛应用。
本文将对FDM快速成型技术的加工工艺进行探讨。
1.材料选择FDM快速成型技术的材料需要在低温下熔化并能够流动，同时还需要具有良好的机械性能和热稳定性。
例如PLA、ABS和PETG等材料常用于FDM快速成型技术中。
其中，PLA 是一种以淀粉为主要原料的生物降解材料，具有优异的可成型性、光泽度和成型尺寸稳定性，已被广泛应用于快速成型领域。
2.建模和设计在FDM快速成型技术中，建模和设计是至关重要的步骤，它们直接影响到成品的质量和性能。
建模和设计需要遵循一些规则，例如从基础形状开始建模，考虑壁厚和支撑结构等因素。
此外，还应使用专业的建模软件，例如Solidworks和AutoCAD等。
3.层厚和挤出速度层厚和挤出速度直接影响到成品的质量和性能。
层厚越厚，制造速度越快，但成品的表面粗糙度也越大；而层厚越薄，则成品的表面质量越好，但制造时间也越长。
挤出速度也需要控制好，过快会导致材料无法充分熔化或挤出过量；而过慢则会影响到成品的制造速度。
4.支撑结构FDM快速成型技术中，支撑结构是支撑成品的关键。
支撑结构的设计需要考虑到成品的几何形状和材料的特性。
支撑结构需要坚固，可以保持成品的平衡和稳定性，并支撑成品中空部分的内部结构。
支撑结构的设计需要使用专业的支撑结构软件，并在制造过程中密切监控其状态，确保支撑结构的完好性。
5.质量控制在FDM快速成型技术中，质量控制至关重要。
制造过程中，需要对制造参数、设备状态和材料控制进行实时监测和记录。
同时，还需要对成品进行质量检测，确保成品符合预期要求。
质量控制需要严格遵守ISO9001：2015质量管理体系标准，并配合使用先进的检测设备，例如三坐标测量仪和光学显微镜等。
总之，FDM快速成型技术是一种广泛应用于制造领域的快速成型加工工艺。
FDM工艺成形过程中影响成形件精度的因素分析
FDM 工艺成形过程中影响成形件精度的因素分析何新英,陶明元,叶春生(华中科技大学,湖北武汉430074)Analysis for Factors that Affect the Precision of the Shaped Pieces on Fused Deposion Modeling ProcessHUO Xin -ying,TAO Ming -yuan,YE Chun -sheng(Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074,China)摘要:介绍快速成形技术中的熔融沉积成形的基本原理,分析了在成形过程中,各种因素对精度的影响,并在此基础上,提出了提高成形件精度和表面质量的措施,对熔融沉积工艺有应用价值。
关键词:快速成形技术;熔融沉积成形;精度中图分类号:TH 16;TP13文献标识码:B文章编号:10012257(2004)09007702Abstract:In this paper,the principle of FDM(fused deposition modeling )is brifed,then the factors which in fluence the precision in maching process was presented in detail On this basis,a series of measures are put forwad for improving the precision of parts and surface quality of rapid prototyping,which have successful practical signifi canceKey words:rapai prototyping;fused deposition modeling;precision收稿日期:200407050 引言熔融沉积成形FD M (fused deposion mddeling )是快速成形技术中的一种[1-2]。
FDM3D打印机打印模型不够精细处理方法总结
FDM3D打印机打印模型不够精细处理方法总结在使用FDM的3D打印机打印的过程当中，往往会发现这么种情况，就是打印的模型往往会有偏差，甚至变形。
特别是自己DIY的3D 打印机，为什么会出现这种情况呢，其实这是FDM使用过程中还比较常见的问题，造成这种问题的原因有很多，比如喷头的质量等等。
(1) 材料收缩。
材料在FDM工艺过程中经过固体到液体再到固体几次转变。
当材料凝固成形时,由材料收缩而产生的应力应变将影响成形件精度。
若成形过程中的材料确定,该种误差可通过在目前的数据处理软件中 ,设定 x, y, z这 3个方向上的“ 收缩补偿因子” 进行尺寸补偿来消除。
这是模型变形最常见的问题之一，原因就是喷头的原因，在这里推荐一款打印不变形的3D打印机：金运激光3D打印机，它的专利喷头在业界也比较出名。
(2) 分层厚度。
是指在成形过程中每层切片截面的厚度。
由于每层有一定厚度,会在成形后的实体表面产生台阶的现象,将直接影响成形后实体的尺寸误差和粗糙度。
对 FDM工艺 ,这是一种原理性误差 ,要完全消除台阶是不可能的,只可能通过设定较小的分层厚度来减少台阶效应。
(3) 成形时间。
每层的成形时间与填充速度该层的面积大小及形状的复杂度有关。
若层面积小 ,形状简单 ,填充速度快 ,则该层成形的时间就短相反 ,时间就长。
在加工时 ,控制好每层的成形时间 ,才能获得精度较高的成形件。
(4) 喷头温度和成形室温度。
喷头温度决定了材料的粘结性能、堆积性能、丝材流量以及挤出丝宽度 ,既不可太低 ,使材料粘度加大 ,挤丝速度变慢 ,也不可太高 ,使材料偏向于液态 ,粘性系数变小 ,流动性强 ,挤出过快,无法形成可精确控制的丝。
喷头温度的设定应根据丝材的性质在一定范围内选择,以保证挤出的丝呈熔融流动状态。
成形室的温度会影响到成形件的热应力大小 ,温度过高 ,虽然有助于减少热应力 ,但零件表面易起皱;而温度太低,从喷嘴挤出的丝骤冷将使成形件热应力增加,易引起零件翘曲变形。
熔融沉积(FDM)工艺参数对制件表面精度及力学性能影响的实验研究
— 11 —
2019 年 2 月
北华航天工业学院学报
第 29 卷
（W）× 高（H）：115.0mm×25.0mm×4.0mm。如图 1 所示。
图 1 试样的三维模型
1.3 基于正交实验法进行参数优化设计
正交实验法就是利用排列整齐的表——正交
表来对实验进行整体设计、综合比较、统计分析，实
现通过少数的实验次数找到较好的生产条件，以达
基金项目：廊坊市科技支撑计划项目（2016011082） 收稿日期：2018 - 10 - 19 第一作者简介：吴伟（1985 -），男，讲师，硕士，河北邯郸人，主要 从事材料成型及控制工程研究。
参数方案。 熔 融 沉 积 是 将 丝 状 的 热 熔 性 材 料（如 PLA，
ABS，尼龙等）加热融化 [1]，再通过打印机内的一个 微细喷嘴的喷头挤喷出来，当喷头沿制件内外截面 轮廓和内部填充的轨迹进行运动时，挤出的材料迅 速固化，并与已固化的材料相粘结，经逐层地堆积 后，形成三维制件实体 [2（] 打印完成后需冷却一段时 间方可取出）。 1 试验方法 1.1 FDM 技术的主要工艺参数
（2）打印厚度：即制件成型过程每层切片截面的 实际厚度，该参数与所用的喷嘴的种类有关，一般 取 0.1mm - 0.4mm[3]。
（3）打印速度：针对本次实验的打印机而言，其 打印速度分为三档，在此只做定性分析，即慢速，标 准，快速。 1.2 试样三维模型的建立
设计样件形状为拉伸件，其尺寸为：长（L）× 宽
到更优的生产工艺效果，这种实验设计法是从大量
的试验点中挑选适量的具有代表性的点，利用已经
设计好的表格——正交表来安排试验，设计相应的
试验数据，并进行数据分析的方法。由于正交表具
FDM成型机原型精度控制
到的。假设以速度 v 扫描一 段时间 t 后, 丝材凝 固后
密度为 , 那么该过程挤出材料质量为
m j = bh + (
b2 + h2 - b) h vt 2
( 1)
整 个过程丝 材质 量是 不变 的, 应与 进 入喷 头 的
丝 材原料一 样, 故 而, 假 设丝 材 原料 截面 积恒 定 为
S, 送丝速 度为 vs, 原密 度 !, 则在时 间 t内 送入 丝 量为
2 2 曲线扫描过程 [ 3- 4] 成型机在工作过程中, 除去直线部分, 大部分为
缓和曲线扫描路径, 该部分必将与上述直线部分有所 区别。建模时, 采用曲率及曲率半径为曲线参数, 利 用积分的思想进行计算。
当扫描路径为内边境线时, 如图 4示。
如图 4分 析, i 为 路径 曲线 上 任一 点, i!为 路径
收稿日期: 基金项目: 作者简介:
2009- 11- 11 杭州电子科技大学科研启动基金项目 ( KY S041506008); 浙江省自然科学基金项目 ( Y 2080884) 李永庆 ( 1984 ), 男, 研 究 生, 研 究方 向 为生 物 制 造的 控 制 系 统软 硬 件 开 发。通 信 作 者: 史 廷 春, 13216702816, E - m a i:l stc@ hdu edu cn。
dS =
1 2
( R !+
b ) d l!-
1 2
R
!dl
通过上式计算成型机送丝速度为
vs =
b2
+ h2 2
+
b+
b
b2 + h2 + b2 4R !
hv !S
( 3)
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2010年第29卷3月第3期机械科学与技术Mechanical Science and Technol ogy for Aer os pace Engineering March Vol .292010No .3收稿日期:2009-02-23基金项目:江苏省数字化制造技术重点建设实验室开放基金项目(HY DML 20806)资助作者简介:孙春华(1966-),教授,博士,研究方向为CAD /CAM,RE /RP,chh -sunny@孙春华F D M 成形件精度预测模型的建立孙春华(苏州市职业大学机电工程系,苏州, 215104)摘 要:熔融沉积成形(F DM )是快速成型(RP )最有发展前途的工艺之一,掌握提高成形件精度的控制方法是推广其应用的重要途径。
在分析F DM 成形件精度影响因素的基础上,提出应用误差反向传播(BP )神经网络建立预测精度模型的方法。
将主要影响因素作为BP 神经网络模型的输入参数,并根据最小预测误差选择输入层和中间层的维数,确定了BP 模型结构。
利用多组实验数据进行模型训练,建立了BP 神经网络模型。
模型预测与实验测量的对比结果表明,模型的预测误差在6%以内,具有很高的预测精度,可以指导实际应用。
关 键 词:快速成型;F DM;BP 神经网络;精度预测模型中图分类号:TP183;TH164 文献标识码:A 文章编号:100328728(2010)032399205A M odel for Predi cti n g the Prec isi on of an F DM Rapi d PrototypeSun Chunhua(Depart m ent of Mechano 2Electr onic Engineering,Suzhou Vocati onal University,Suzhou 215104)Abstract:Fused depositi on modeling (F DM )is one of the most p r om ising rap id p r ot otype (RP )technol ogies .Methods f or i m p r oving p r ot oty p ing p recisi on is crucial f or its wide app licati on .Based on analysis of fact ors of influ 2encing the p recisi on of p r ot otype during F DM ,a novel app r oach of establishing a BP neural net w ork model t o p re 2dict F DM p r ot otyp ing p recisi on was p r oposed in this paper .Some key fact ors were confir med t o be the feature pa 2ra meters of BP neural net w orks .The di m ensi onal numbers of input layer and m iddle hidden layer were confir med according t o the m ini m um err or,and then the BP model structure was fixed .The structure was trained by experi 2mental data .The a model of BP neural net w ork f or p redicting the p recisi on of F DM p r ot otype was finally constitu 2ted .The results show that the err or can be contr olled within 6%.The model can be used t o guide p ractical app lica 2ti on .Key words:RP;F DM;BP neural net w ork;p recisi on p redicti on model 快速成型(rap id p r ot otyp ing,RP )技术自出现以来,已开发出很多种方法,熔融沉积成形F DM (fused depositi on modeling )是其中一种。
作为最有发展前途的RP 工艺之一,F DM 法由于其成型精度高、速度快、费用低,已成功应用于很多领域制作概念模型、原型甚至功能件。
F DM 成形是利用喷头在计算机的控制下,在x 2y 水平面内沿着零件的截面轮廓和填充轨迹运动,将加热到一定程度的热塑材料从运动的喷头里挤压出来;在温度略低于材料熔点的成型室内,将挤压出来的热塑材料凝固在工作台上,形成每层的轮廓;这样逐层堆积,从而完成原型的成形。
其成形涉及CAD /CAM 、数据编程、材料编制、材料制备、参数设置及后处理等环节,每一个环节都会引起误差。
这些误差严重影响了F DM 原形件的精度,阻碍了其在快速成形技术及功能零件制造中的进一步应用。
为了使F DM 从经济和技术上变得更有吸引力,很多研究人员对误差产生的原因进行了分析。
机械科学与技术第29卷文献[1]分析了沉积材料收缩所产生的内应力对成型件精度的影响,提出了FDM层变形的数学模型,并据此通过调整控制参数改善了成形件的精度。
文献[2]为消除ST L文件格式误差,采用NURB S、STEP以及自适应直接切片等方法。
在喷头结构方面,已由过去的机械开关转阀改为螺杆结构,以及目前正在研究的电磁阀式,通过提高喷头的响应速度,来提高成形过程的填充速度,从而缩短成形的时间,提高成形件精度。
在材料方面,通过AB S丝的共混改性,将其熔融温度从原来的270℃降至230℃,从而降低了成形加工时对喷头及环境温度的要求,以及成形件的热应力、翘曲变形,改善了成形精度。
由于F DM过程中的许多参数及参数之间的相互作用都会影响成形件的精度,因而如何确定一种优化方法来选择F DM成形过程中的参数值是对每一个工艺人员的挑战。
然而对该方面的讨论却较少。
文献[3]采用正交实验法来优化工艺参数。
更多的F DM用户,只是根据制造厂商家所提供的参数进行尝试,或凭借操作者的经验,当遇到未加工过的零部件,只能估计,既费时又不科学。
误差反向传播(back2p r opagati on,BP)神经网络,由于其能模拟任意函数而具有很好的预测能力,常用于优化和预测。
文献[4～7]讨论了其分析法的应用和优点。
笔者创造性地提出采用BP神经网络建立F DM成形精度模型的方法。
通过适当的训练,确定了模型。
该模型可用于F DM成形件的精度,并可用于优化工艺参数。
笔者的研究成果将对F DM的进一步应用具有很好的参考价值。
1 F DM成形精度的影响因素F DM成形精度包括尺寸误差、几何误差及表面粗糙度。
在F DM的成型过程中,影响这3者的因素如下:(1)材料收缩。
材料在F DM工艺过程中经过固体2液体2固体2次相变。
当材料凝固成形时,由材料收缩而产生的应力应变将影响成形件精度。
若成形过程中的材料确定,该种误差可通过在目前的数据处理软件中,设定x,y,z这3个方向上的“收缩补偿因子”进行尺寸补偿来消除。
(2)喷头温度和成形室温度。
喷头温度决定了材料的粘结性能、堆积性能、丝材流量以及挤出丝宽度,既不可太低,使材料粘度加大,挤丝速度变慢,也不可太高,使材料偏向于液态,粘性系数变小,流动性强,挤出过快,无法形成可精确控制的丝。
喷头温度的设定应根据丝材的性质在一定范围内选择,以保证挤出的丝呈熔融流动状态。
成形室的温度会影响到成形件的热应力大小,温度过高,虽然有助于减少热应力,但零件表面易起皱;而温度太低,从喷嘴挤出的丝骤冷将使成形件热应力增加,易引起零件翘曲变形。
实验证明,为了顺利成形,应该把成形室的温度设定为比挤出丝的温度低1℃～2℃。
本实验将成形室温度设定为55℃。
(3)分层厚度。
是指在成形过程中每层切片截面的厚度。
由于每层有一定厚度,会在成形后的实体表面产生台阶的现象,将直接影响成形后实体的尺寸误差和表面粗糙度。
对F DM工艺,这是一种原理性误差,要完全消除台阶是不可能的,只可能通过设定较小的分层厚度来减少台阶效应。
(4)补偿量。
是指零件实际加工轮廓线与理想轮廓线之间的距离值。
该值的设定与挤出丝的直径有关,可以在分层切片数据处理软件直接设定。
(5)挤出速度与填充速度及其交互作用。
在与填充速度合理匹配范围内,随着挤出速度增大,挤出丝的截面宽度逐渐增加,当挤出速度增大到一定值,挤出的丝粘附于喷嘴外圆锥面,就不能正常加工。
填充速度比挤出速度快,则材料填充不足,出现断丝现象,难以成形。
相反,填充速度比挤出速度慢,熔丝堆积在喷头上,使成形面材料分布不均匀,表面会有疙瘩,影响造型质量。
因此,填充速度与挤出速度之间应在一个合理的范围内匹配,应满足v j/v t=[a1,a2](1)式中:a1为出现断丝现象的临界值;a2为出现粘附现象的临界值;vj为挤出速度;vt为填充速度。
(6)成形时间。
每层的成形时间与填充速度,该层的面积大小及形状的复杂度有关。
若层面积小,形状简单,填充速度快,则该层成形的时间就短;相反,时间就长。
在加工时,控制好每层的成形时间,才能获得精度较高的成形件。
(7)开启和关闭延时。
即丝材堆积的起停效应,主要是以丝材堆积截面的变化体现出来,这种堆积截面的不一致容易造成丝材堆积平面的不平整,出现空洞等质量缺陷。
而“拉丝”现象会影响到原型的表面光顺和填充层层内丝材堆积面的平整性,它的根本解决需要出丝速度能够实时地藕合跟踪扫描速度,针对扫描速度的变化作出相应的调整,以使丝材堆积平稳可靠,提高丝材的堆积质量。
从以上分析来看,上述各因素对成形精度都存在或多或少的影响。
材料收缩率在材料确定后即可确定。
成形时间虽然对成形精度有影响,但当成形004第3期孙春华:F DM 成形件精度预测模型的建立件结构确定后,每层的面积及形状的复杂度已随之确定,成形时间则取决于填充时间。
因此,材料收缩和成形时间在下列实验中将作为定值。
考虑到表面粗糙度考察的是成形件的微观形貌,可以通过表面抛光等后置处理方法得到改善,因此,笔者只将成形件的几何精度和尺寸精度作为考察指标。
这2个指标将作为BP 神经网络的目标参数。
而将分层厚度、补偿量、挤出速度、填充速度、开启延时和关闭延时6个工艺参数作为影响因素,如表1所示,检查它们对尺寸精度和几何精度的影响。