FDM快速成型加工工艺问题研究
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作者:王琛 于嘉浩 陆雪亿
摘 要：本文介绍了熔融沉积型快速成型的工艺原理，结合实际加工过程中出现的工艺问题进行探究，提出工艺问题解决方案，对提高原型件成型质量具有一定的参考价值。
关键词：熔融沉积;快速成型;工艺问题
快速成型技术是集计算机、新材料、自动控制等诸多前沿科技为一体的综合性技术，正以其独特的创造性改变着人们的生活。熔融沉积制造（简称FDM）是主流的快速成型技术之一，又称丝状材料选择性熔覆，[1]其通过自动控制代码将熔融状的成型原料涂覆成实体模型。该技术不断成熟，正以其良好的性能、低廉的成本，逐渐成为最受欢迎的快速成型技术。
1 工艺原理
熔融沉积制造是将丝状的成型材料按指定温度融化，使材料保持半液体状态，通过挤出头均匀挤出，在计算机代码的控制下，有选择地沉积在成型平台上，迅速冷却并固化。[2]当完成一层截面的沉积后，成型平台下降预定高度，继续下一层的沉积。如此重复，层层堆积完成实体模型。[3]熔融沉积制造的工艺流程包括3个主要过程：前处理过程、成型过程、后处理过程。前处理过程包含建立模型、模型布置、切片处理。后处理过程包含去除支撑、抛光打磨。
2 加工工艺问题分析
2.1 前处理误差
前处理过程中，FDM工艺的误差机理主要是切片误差。[4]切片过程产生的误差主要包含Z轴方向的尺寸误差和台阶效应误差。其中最常见的是台阶效应误差，由于三维实体模型是通过片层轮廓线的形式来描述，片层轮廓线形状的不同以及相邻片层之间的高度差造成堆积时的台阶状效果，也被称为台阶效应。[5]台阶效应误差包含正偏差和负偏差。当一定厚度的切片与三维实体模型相交，选取较大截面作为切片截面时，产生的偏差为正偏差。反之，选取较小截面作為切片截面时，产生的偏差为负偏差。正偏差适用于各种原型件的制造，既可以保证原型件的尺寸，又可以通过打磨等后处理工艺提高成型表面质量。负偏差适用于模具的制造。
台阶效应误差与切片厚度、模型表面曲率有关。减少误差的优化方案是减少切片厚度，当切片厚度减少时，相邻片层之间的高度差也随之减少，模型在Z轴方向上的堆积更加密集，台阶效应误差减小。但是，切片厚度的减少会导致片层数量的增加，使得STL文件的数据量增加，成型时间变长。
2.2 支撑设定
FDM成型过程中，原型件的悬空部分需要增加支撑结构，支撑结构的材料有许多种，包括水溶性支撑材料和易剥离性支撑材料。[6]目前，大部分FDM快速成型机使用易剥离性支撑材料，即把成型原料作为支撑材料。因此，存在两个问题：一是支撑材料的去除会影响原型件的表面质量;二是如何调整原型件的放置位置，以达到节省支撑材料的目的。
支撑材料的去除会给成形表面带来毛刺或凹痕，这个问题难以避免。由于FDM快速成型机的成型精度的限制，优化方案只有通过后处理工艺得以实现。节省支撑材料的优化方案是在保证支撑结构合理的前提下提出的，优化方案如下：一是在保证原型件表面质量的基础上，尽量减小支撑投影面积，以减小支撑材料的消耗。二是成型控制软件对原型件切片的过程中，会产生不同的支撑方案，在不影响原型件结构的情况下，选择支撑最少的方案。
2.3 后处理工艺
由于成型精度原因，FDM快速成型机打印的原型件经常达不到预期的效果。具体表现如下：一是台阶效应产生的台阶状纹理;二是去除支撑材料时产生的毛刺或凹槽。
优化方案为通过后处理工艺来提高原型件的表面质量。后处理工艺包含机械方法和化学方法。机械方法即通过锉刀、砂纸等工具进行打磨抛光。打磨抛光的目的是去除原型件表面的毛刺或凹槽，使原型件表面达到光亮平整的效果;主要使用工具为砂纸、纱绸布、羊绒轮等。这需要通过手工完成，耗时费力，但后处理效果理想。化学方法通过丙酮蒸汽对原型件表面进行抛光。主要使用工具为：加热平台、密闭器皿、锡纸等。由于丙酮可以溶解塑料，随着丙酮蒸汽的扩散，原型件表面逐渐融化，台阶状纹理逐渐平滑，毛刺和凹槽逐渐消失，原型件表面变得光亮平整。但是，丙酮蒸汽法需要控制好火候，熏蒸时间过长会使模型过度融化。
3 结语
熔融沉积型快速成型作为一种便捷高效的快速成型方式，已经从实验室逐步走向人们的生活。本文阐述了该工艺的工艺原理，探索实际加工过程中出现的工艺问题，通过实践经验和实验研究，提出工艺问题解决方案，对该工艺的普及应用具有借鉴和启发作用。
参考文献：
[1] 王琛，蒋玉婷，陆雪亿.拼合蛋椅模型的设计与制作[J].艺术科技，2019（09）：71.
[2] 瞿娟，郁舒兰.表情包的形态语义分析和认知[J].戏剧之家，2019（04）：222-223.
[3] 蔺秀媛，闫小星，尹太玉.多功能卧具设计分析[J].艺术科技，2019（07）.
[4] 第烨，靳文奎.基于老年人怀旧倾向的交互产品设计研究[J].戏剧之家，2019（14）：141-143.
[5] 高玲玲，徐伟.缩短有限定制沙发平均生产周期的方法研究[J].家具，2019，41（2）：13-17.
[6] 姚月姝，祁忆青，王丹.冬季室内有害挥发物释放特征及防治措施[J].家具，2018，39（2）：11-14+23.
作者简介：王琛，男，南京林业大学家居与工业设计学院实验师，主要研究方向：工业设计工程。
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