基于CAD建模的FDM 快速成型技术及其误差分析

吴晓燕 王立成

（南京科技职业学院机械技术系，江苏 南京 210048）

众所周知，新产品的开发过程中对于所设计的零部件，在投入大量资金进行加工或装配之前，一般需要先期加工一个简单的样品或原型，以便对产品设计进行评价、修改和功能验证。而一件原型的生产极其费事，仅模具的制作就需要花费大量的时间和资金。随着当前制造业市场环境的变化，消费者的需求越来越多元化、个性化，产品的更新换代周期必然会越来越短，消费市场的需求促使制造厂商不得不加快产品的研发周期，快速将多样化的产品推向市场以抢占先机，求得生存发展的空间。因此，产品的快速开发是制造企业赢得21 世纪国际市场竞争的关键，而快速成型技术能够迅速将设计思想转化为产品，其对制造业的影响可与数控技术（CNC）相媲美。

1 快速成型技术的原理

快速成型技术（Rapid Prototyping，简称RP）是上世纪80 年代末发展起来的一种基于材料累加成型原理的新型制造工艺，它是集多种先进科技于一体的现代制造技术。与传统机械制造中“去除”材料的加工方法不同，RP 技术将复杂的三维制造分解为简单的二维加工的叠加，是一个从离散到堆积的过程，其工艺流程如图1 所示。利用零件的三维CAD 模型，通过软件将其按一定厚度离散成一系列二维层面，再结合加工参数驱动成型机按顺序将材料一层一层堆积形成实体原型，原型经过打磨等处理后即成零件。由于RP 技术可以在不用模具和工具的条件下生成几乎任意复杂的零部件，极大地提高了生产效率和制造柔性，故目前广泛应用于汽车制造、航空航天、船舶工程、动力机械、家电制造、电动工具、医疗修复、建筑工程、工艺品制作以及儿童玩具等领域，并且随着这一技术的不断发展和完善，其应用范围还将不断拓广[1]。

图1 快速成型技术原理

2 FDM 技术与CAD 软件的结合

熔融堆积成型（Fused Deposition Modeling，简称FDM）是快速成型技术中占主导地位的工艺方法之一。FDM 技术是基于原型的三维CAD 模型的，因此确定CAD 模型是至关重要的一步。一般采用以下两种方法来获取原型的三维CAD 模型：一是通过反求工程求得。反求工程对于难以用CAD 设计的零件模型以及艺术模型和活性组织的数据提取是非常有利的工具，而快速成型又不受模型几何形状的限制，可以快速地将测量数据复原成实体模型，反求工程与RP 技术的结合实现了零件的快速三维拷贝[2]。二是直接利用CAD 设计软件进行设计。在计算机上用计算机辅助设计方法将已有产品的二维三视图转换成三维模型，或者根据产品的要求直接设计三维模型，显然是一种较为便捷理想的方法。目前，常用的计算机辅助设计软件有SolidWorks、Unigraphics、Pro/Engineer、AutoCAD 等，这些软件均有较强的实体造型和曲面造型功能。下面以玩具汽车车身模型的快速成型来说明FDM技术与CAD 软件相结合的运用方法。

（1）车身CAD 建模

本文中直接利用UG 8.0 软件设计玩具汽车车身CAD 三维模型，如图2 所示，主要用到了N 边曲面、偏执曲面、有界平面、拉伸、镜像特征、螺纹孔等功能命令。

图2 车身CAD 模型

（2）成型机的选用

根据车身CAD 模型的大小及其精度要求选择合适的快速成型机，以满足其成型速度和精度的要求，本文中选用Stratasys 公司的Dimension BST 1200es 系列3D 打印机，其基本参数如表1 所示。

表1 Dimension BST 1200es 系列3D 打印机基本参数

（3）CAD 模型处理

由CAD 造型软件生成汽车车身的三维CAD 实体模型或曲面模型，然后将CAD 模型转化为STL 文件格式，即对实体模型或曲面模型进行切片处理，将三维模型近似成多个小三角形平面的组合。精度要求越高，曲面越不规则，所需要的三角形面片的数目就越多，STL 文件就越大。或者对CAD 三维模型直接进行分层处理，得到精确的截面轮廓。分层切片模型在系统中起到承上启下的作用，它的准确性直接影响成型零件的规模、精度和效率。

（4）快速成型制作工艺

把生成的汽车车身STL（STereo Lithography）文件导入快速成型机系统中，根据零件的精度要求、型面的复杂程度等确定成型方向并设置成型参数。一般来说，成型方向设置是否合理，决定着成型速度的快慢、成型时间的长短以及成型材料消耗的多少。如图3 所示为成型方向确定后车身模型及支撑。成型层厚一般为0.2mm，单独成型一个约需2h 左右，若一次成型8 个，由于扫描时间增加，约需要12h。最后将成型的汽车车身模型去除支撑，再进行打磨、抛光等后处理工艺，以提高模型的精度。如图4 所示为汽车车身的成型件。

图3 车身模型及支撑

图4 车身成型件

3 成型件精度的影响因素分析

在熔融堆积成型过程中，形成成型件误差的因素有很多，实践证明，前期处理阶段、熔融堆积成型阶段、后处理阶段产生的误差对成型件精度和表面粗糙度有较大的影响。

（1）前期数据处理误差

在快速成型加工工艺中，零件的CAD 模型在建模软件中生成之后，必须要经过分层处理才能将数据输入到快速成型机中。在CAD 模型分层处理的众多方法中，基于STL 模型的分层方法是主流方式。采用STL 文件切片方法，误差主要产生于三维模型的STL 文件格式转换和对STL 文件分层处理两个过程[3]。STL 文件的数据格式会将CAD模型连续的表面离散成若干小三角形面片的集合，小三角形数量的多少直接到影响近似逼近的精度。当实体模型表面是平面时不会产生误差，但是对于曲面而言，无论精度多高，也不能完全表达原来的表面，故不可避免地产生了逼近误差。

将CAD 模型面片化后，再对其进行分层切片，即用一簇垂直于成型方向的平行平面与面化模型求截交面来得到轮廓信息。由于每一切片层之间存在距离，因此切片不仅破坏了模型表面的连续性，而且不可避免地丢失了两切片层间的信息[4]，导致“阶梯效应”现象的产生，如图5 所示。尤其是相对成型方向上倾斜的表面，曲面精度明显降低，造成面型精度误差。

图5 RP 技术中的“阶梯效应”

（2）熔融堆积成型误差

熔融堆积成型所用的材料为热塑性材料，成型过程中材料会发生两次相变：一次是固态丝状受热熔化成熔融状态；另一次是熔融状态经过喷嘴挤出后冷却成固态。在凝固过程中，材料的收缩变化会直接影响成型件的尺寸精度，甚至导致成型件产生翘曲变形或脱层现象，应采用合理的制作方法减少收缩应力或设计合理的支撑结构以限制翘曲变形。

在熔融堆积成型过程中，喷嘴温度、挤出速度和填充速度、挤出丝宽度等加工参数设置也会对成型精度产生严重的影响。研究表明，对特定的材料应根据其特性选择不同的喷嘴温度，FDM 工艺的关键是控制半流体成型材料的温度比熔点温度高1～2℃。填充速度是指扫描截面轮廓的速度，为了保证连续平稳地出丝，填充速度与挤出喷丝的速度应在一个合理的范围内匹配，使得喷丝从喷嘴里挤出时的体积与粘结时的体积相等，否则会造成成型表面材料分布不均匀或断丝现象。挤出丝的宽度不是一个固定值，在成型过程中受到诸多因素的影响，因此需要在生成零件轮廓路径时对理想轮廓线进行补偿。

（3）后处理误差

从成型机上取出已成型的模型后，需要剥离支撑结构，可能会对表面质量产生影响，所以支撑设计和成型方向是否合理很重要。在选取成型方向的时候，需综合考虑加支撑要少，并便于去除等因素。有时还需要对工件采用固化、修补、打磨、抛光和表面处理等手段来提高表面质量，但在此过程中，如果处理不当会影响到原型的尺寸及精度，从而产生后处理误差。

4 结语

CAD 建模的设计数据具有良好的一致性，当三维模型发生改变时，系统会自动地修改与之相关的图纸信息；在成型过程中，对影响成型件精度的因素进行合理有效地控制，为成型过程的整体优化和制作性能优良的产品提供了保障。基于CAD 三维模型的FDM 技术，极大地提高了成型件的设计效率，缩短了新产品的开发周期，成为提高企业市场竞争能力的关键技术之一。

［1］洪军，唐一平，卢秉恒.快速成型技术在新产品快速设计与制造中的应用研究[J].机械设计，2000，12(12)：7-9.

［2］史桂蓉，邢渊，张永清.反向工程应用现状及研究方向[J].机械科学与技术，2000，7(4)：653-655.

［3］林涛.基于快速成型技术的零件模型构建与工艺的研究[D].西南交通大学，2007.

［4］伍咏辉.熔融涂覆快速成型件的成型误差分析[J].广西轻工业，2010，10(10)：46-47.