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熔融沉积制模过程及原理

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快速成型原理及误差分析

1 熔融沉积制模过程及原理
熔丝堆积成形，FDM，Fused Deposition Modeling。也叫熔融沉积。是一种基于数字成像技术的三维实体模型制造，它无需激光系统。
将丝状热熔性材料加热熔化，然后通过带有一个微细喷嘴的喷头挤喷出来。喷头可沿X轴方向移动，而工作台则沿Y方向移动。如果热熔性材料的温度始终稍高于固化温度，而成型部分的温度稍低于固化温度，就能保证热熔性材料挤喷出喷嘴后与前面一层熔结在一起。一个层面沉积完成后，工作台按预定的增量下降一个层的厚度，再继续熔喷沉积，直到完成整个实体造型。

在制造前先要进行以下步骤的前处理：
（1）CAD三维造型。三维造型是CAD模型的最好表达，也是快速原型制作必须的原始数据。三维造型可以在UG、Pro/E、Catie等大型商业软件上进行。
（2）数据转换。数据转换是对产品CAD模型的近似处理，主要是生成STL格式的数据文件。注意控制STL文件生成的精度。通用CAD软件都有STL数据输出。
（3）确定摆放位置。摆放位置不但影响着制作时间和效率，更影响这后续支撑的施加以及原型制造的表面质量等。从缩短原型制作的时间来看，应选尺寸最小的方向作为叠层方向；为了提高原型质量和提高关键尺寸和形状的精度，又需选尺寸最大的方向作为叠层方向；为减少支撑、节省材料、便于后处理，常倾斜摆放。
（4）施加支撑。对于结构复杂的数据模型，支撑的施加是费时而精细的。比较先进的支撑类型为点支撑，即在支撑和需要支撑的模型面是点接触的。
（5）切片分层。根据设备系统的分层厚度沿高度方向进行切片，生成系统需求的层片数据文件。

Creo模型导入STL生成软件Cura

对模型添加支承和进行切片处理

其中设计软件和打印机之间协作的标准文件格式是STL文件格式。一个STL文件使用三角面来近似模拟物体的表面。三角面越小其生成的表面分辨率越高。
打印机通过读取文件中的横截面信息，用液体状材料将这些截面逐层地打印出来，再将各层截面以各种方式粘合起来从而制造出一个实体。这种技术的特点在于其几乎可以造出任何形状的物品。
前处理完成后，下面介绍打印平常的构造。下面的介绍以斯普瑞达黑鸟3D打印机为例。
打印机喷头固定在滑块上，滑块上有三个滑轮，在与步进电机齿轮配合使用的同步带实现X轴和Y轴上的单轨移动。喷头在一个平面上自由移动，在这个坐标系喷射出应有的像素完成打印。可以打印出跟激光打印机相近的分辨率。打印出来的“墨水滴”的直径通常为50到100微米。

滑块和滑块上的滑轮

同步带和滑轨

滑轨配合带丝杆步进电机，实现Z轴上的精细移动。从而使固定在滑块上的喷头可以打印出微米级别的厚度层。

丝杠步进电机

进料口上通过进料电机转动，从而推动丝料进入喷嘴。控制进料电机的转动速度精确控制进料量。保证喷嘴滴墨大小是一致的。

进料电机

出料过程

温控风扇和温度传感器配合来控制成型部分温度稍低于固化温度，就能保证热熔性材料挤喷出喷嘴后与前面一层熔结在一起。

在喷嘴上的温控风扇

插在主板上的温度传感器连接线

一般3d打印常用的“线料”也就是说我们常见的3d打印机里，打印的材料从墨汁换成了“热塑性塑料”，这种塑料一旦加热就变得软塌塌的熔融状态，但是一旦冷却又恢复原样。现在最常见的3d打印材料主要是ABS和PLA，ABS是个极其常见的合成塑料了，本质是A（丙烯睛）、B（丁二烯）、S（苯乙烯）。PLA又叫聚乳酸，这东西熔点很低，基本在185°C就可以熔融加工，所以也是最常见的打印材料。假如把一把塑料（粒料）放在灼热的喷头里，不出两分钟就会堵死，所以材料是和毛线一样的线材。

2 误差分析
（1）导轨误差
固定喷嘴的滑块在导轨上进行移动，是滑块运动的基准，他的各项误差直接影响工件的精度。车床床身导轨在水平面内有了弯曲之后，在纵向切削过程中就可能产生鞍形或鼓形加工误差。如果导轨的水平度不能保证，打印出来的水平面都会随着导轨倾斜。在第一次安装时应该对导轨进行检查，并且在安装过程中保持导轨的垂直度，从而减少导轨对加工造成的误差。
（2）丝杆误差
丝杆是横向导轨的运动基准，丝杠的精度保证了导轨垂直上下运动。丝杠弯曲后，丝杠电机转动，丝杆不在按照电机的转动而线性运动，而且还会带来水平面上X轴和Y轴的加工误差。从而影响了工件的加工精度。丝杆误差和导轨误差一样，在第一次安装时就应该进行排除。
（3）支承板误差
支承板为加工工件提供水平支承，支承板的水平度不能保证，随着喷头沿着丝杠上去运动，打印出来的工件地面将会是一个与支承板平行的斜面。仿真这种误差，应该在打印前检查支承板的水平度，通过调整螺母调整支承板四个角的高度，从而调整水平度，并且使得支承板和喷头校准位置高度有一张A4纸厚度的距离。

支承板高度调整
（4）喷嘴出料控制误差
喷嘴出料控制误差可能是进料电机控制进料量的不均而造成的，也可能是喷嘴温度成型部分温度控制误差造成的。成型部分的温度不能及时低于固化温度，就不能保证热熔性材料挤喷出喷嘴后与前面一层熔结在一起，被喷嘴拖着为成型的墨滴成丝状随着喷嘴运动，不能形成预设的形状。温度过低，使得喷嘴间歇性堵塞，该出料的地面没有出来，等温度上升到熔化温度时，堵塞的料一次涌出，打印表面变得坑坑洼洼，高点甚至可能和喷头发生摩擦，影响后面的打印过程，严重影响了生产精度。防止进料不足造成的误差，应该定期维护精料电机和送料机构。要减低因为成型部分温度控制误差造成的打印误差，应该尽量维持打印环境温度，并且尽量放慢打印速度。
（5）同步带误差
长时间使用使得同步带老化造成同步带老化，滑块在松紧度下降的同步带带动下沿着X轴或Y轴方向滑轨移动量不在准确。在步进电机的带动下，碰嘴不能及时到达准确的位置。造成打印过程中产生误差。不能打印出预设的形状。防止出现同步带误差，要定期检查同步带是否用松动，如有松动及时调节预紧力或者更换同步带。

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