3D打印技术在零件制造中精度及质量控制方法研究

孙振军

摘 要：随着3D打印技术的不断发展，其在进行零件加工时所选择的材料、成形质量以及成形效率等成为人们关注的重点内容，究其原因主要是零件加工的质量在很大程度上直接决定着整个设备运行状况，因此本文在进行研究中通过对3D打印工艺的原理进行分析，研究产生精度误差的原因，从而提出有效的策略保证其制造精度和质量。

关键词：3D打印技术;零件制造;质量控制

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.05.058

1 3D打印技术原理

3D打印技术其主要是依据计算机上所生成的三维模型为基础，然后利用软件的作用将三维的模型进行离散，从而分解为若干个层平面切片，接着在数控成型系统的作用下将一些金属、陶瓷等材料以粉末状的形式进行逐层堆积黏结，最终形成所要生产产品的叠加成型。3D打印技术与传统制造业所采用的“减材料制造技术”相反，其在进行零件加工时采用的是“逐层叠加”的原则，也可以称为“加材料制造技术”。3D技术的使用能够在本大程度上减少材料的浪费，从而降低零件生产的成本，提高材料的利用效率，缩短加工周期。就目前来说3D打印技术主要包括SLA（光固化法）、FDM（熔融沉积法）、SLS（立体光刻法）、3DP（喷墨沉积法）、LOM（分层实体制造法）等。

2 3D打印零件误差分析

（1）前期数据处理误差。在切片前的预处理阶段中需要对数据进行处理和转换，而在该阶段中数据的格式起着关键性的作用，直接决定着数据处理的效率。一般在该阶段中主要采用的是STL格式，其主要是由多个不同的三角形面片定义组成，而其中每一个不同的三角形面片主要是对三角形定点的三维坐标以及在切片时面片的法矢量等进行定义，三角形数量的多少直接决定了在切片是的近似逼近精度。三角形的数量越多，表示三角网格越小，精度就越高，数据丢失率就越高，打印出来的效果也就越多，但是这样数据丢失率越高会导致后期处理困难，因此为了有效的克服此现象可以利用CAD实体模型的方式进行直接切片，这样可以消除由于STL格式问题对精度产生的影响。除此之外，在进行成型切片的过程中由于其算法的不同也会影响到切片成型的速度以及后期的效果。这是因为在切片时由于算法的原因会出现冗余的现象，导致模型轮廓不清，这样就会导致成型模型与理论值之间有一定的差距。

（2）模型分层。从工艺原理分析可以了解到3D打印采用的是逐层叠加原理，但是在逐层叠加的过程中由于各种因素的影响会产生“台阶效应”。尤其是在一些曲面变化率较大的模型中进行加工制造时所产生的“台阶效应”更为明显。在具体的加工时，首先确定模型所选择的分层方向，然后层层利用STL文件格式对整个模型进行切割分层，这就可以可以得到每一个截面之间的轮廓信息，还能够确定每一层的厚度，但是这样在进行切割时由于数据之间的丢失，层与层之间就会出现一定的断层，最终影响到零件模型成型的精度。對于3D打印技术来说其分层的原理不同，选择的分层方向不同，就会影响到最后的成型效果，因此要合理的选择分层数据。

（3）机器误差。对于3D打印机来说其本身的配置等也会会材料的成型产生一定的影响，从而产生机器误差。而机器中配置设备的要求越多，所产生的误差也就越小，这样所成型的模型精度也就越精确，因此在进行零件制造时需要综合考虑设备的机器误差。

（4）材料误差。在3D打印中所选用的材料有金属、陶瓷等多种不同的原材料，这样由于材料的不同，在具体的成型过程中所处的温度环境等的影响也就不同，这样导致所成型的效果、制造的时间也不相同，因此保证材料的性能、加工环境是提高整个零件精度的根本途径之一。

3 提高零件质量控制方式及精度误差策略

在3D打印工艺中最为注重的两个问题就是所加工零件质量精度以及生产的效率。为了有效的减少零件在加工时所产生的精度误差，就需要在进行加工时正确选择模型摆放的方向，这样才能够在保证质量的前提下，尽可能提升零件加工效率。从所加工零件的表面来说，在确定了模型制作的方向之后其还有可能存在一定的悬空区，在对该区域进行加工时，就需要充分的考虑到形变等问题，究其原因主要是由于所选择的材料本身就具有一定的收缩性，而且在悬空区域内其制作方向也会影响到变形的效果，在悬空区加工时，这些因素都会导致分层厚度不一致，进而导致成型之后在表面上具有台阶差，最终影响成型模型的效果。在具体的实践操作过程中为了有效的缓解模型表面的台阶差，可以将连续制作的两层进行粘结，这样可以适当的调整该层厚度，最终达到减小或者是避免误差出现的目的。从生产的效率上进行分析，其主要取决于零件在进行加工制作时的时间。而制作时间又与零件制作的方向以及在制作过程中所选择的工艺参数等具有非常紧密的联系，因此在进行零件模型制作时要想很好的提高零件生产效率，蒜段生产周期，就需要对工艺参数进行合理的优化，具体来说可以从以下几方面进行着手：

（1）减少台阶现象的出现。在进行加工时经常会出现一些悬空区，这样如果加工工艺参数设置不合理就有可能导致模型产生斜面，从而出现台阶效应。适当的调整分层厚度可以有效缓解此类现象;

（2）减少打印支撑。在完成零件加工工艺方向之后，进行打印时还需要对所设计模型的结构进行优化，减少其在结构上的悬臂，这样可以减少打印支撑;

（3）缩短打印时间。通过减少设计结构中的悬臂结构，可以有效减少打印支撑，这样可以在很大程度上缩短打印时间，同时还需要对所加工零件的尺寸进行合理设计，这样也可以缩短打印所消耗的时间。

4 结语

在实际模型成型过程中影响3D打印效果的因素有很多，其中参数是最为明显的一个因素，合理优化参数是提高零件精度和质量控制最为主要的一个方式。

参考文献：

[1]扈恩同.3D打印技术在机械制造中的应用研究[J].世界有色金属， 2018（01）.

[2]申伟，张利军.3D打印技术在零件加工中的应用[J].金属加工：冷加工，2017（17）：22-23.

[3]杨德建，刘仁洪.大型复杂金属零件3D打印技术及研究进展[J]. 兵工自动化，2017，36（02）：8-12.

[4]吴兴欢.3D打印系统中模型放置优化方法研究[D].西安科技大学， 2017.