熔融沉积成型零件精度及机械性能研究

刘晓彤 王琬

【摘要】笔者对国际国内近年来融融沉积成型零件的精度与机器特性实施研究，从设施、原料、工艺、参数虚拟等层面实施解析，为该科技的深度发展提供一定的参考依据。

【关键词】熔融沉积;成型部件;精度;机械特性;研究

有鉴于CAD/CAM科技的快速成型科技近年来业已发展为社会与科学界的热议课题。该科技是使用CAD模型带动，透过特殊原料逐层深入的模式来制造三维物理模型的前卫制作科技。整个商品制作流程没有使用模具，使用电脑三维实体建模或模具就能够直接打印，所以能够完成商品的迅速制作。

一、熔融沉积迅速成型层面的研究成绩

FDM工艺的成型原料应具备既定的弯曲强度、压缩强度与拉伸强度;原料的伸缩率要低;确保各层间有充足的粘连强度。

在我国，北京航空航天院校对短切玻璃纤维强化ABS复合原料实施了改性研究。其透过掺加短切玻纤、一定量的增韧剂与增溶剂，提升ABS的刚度、硬度与柔韧性，并减少ABS伸缩的几率，让成品的变形能够被控制。北京太尔时代企业透过与国际上闻名的化工商品供货商形成战略伙伴关系，于2005年给出高特性的FDM成型原料ABS04，和美国Stratasys企业产出的ABS

P400特性类似，有着形变可控、柔韧性佳的特征，适于装配检测，能够取代进口原料，减少生产成本。近年来，华中科技学院研究了改性聚苯乙烯原料。

国际方面，1998年澳洲的Swinburne工业学院研发了一类金属-塑胶混合原料，能够使用FDM科技的项目原料PC。使用该原料产出的原型能够超越ABS注塑成型的刚度。然后，又研发出兼容FDM科技的工程原料PPSF，其有着高度的耐热功能、强韧性与耐腐蚀特性。之后，又研发出工程原料PC/ABS。PC/ABS融合了PC的刚度与ABS的柔韧性，特性更佳。

二、熔融沉积成型部件精度工艺研究

在成型以后，喷嘴流出的熔融态PLA原料具备既定的宽度，如果喷嘴顺着理想轮廓扫描时。从纯理论的视角来分析，最后成型的部件相较于原始的CAD设计模型多出一块，这对部件的尺寸进度会造成负面效应。在和Makerbot Replication 2配置的参数软件Make

Ware中，最佳轮廓线的补偿都和喷头的内径有直接关系，常规的方法是把补偿数据预设成喷头内径的1/2.但是，熔融态原料的流出被多类元素左右。例如喷头内径、挤压速率、成型原料的粘性数据等。所以，仅权衡到喷头内径的1/2的尺寸，还无法映射具体的补偿量，还必须研究它类元素对补偿量的作用。笔者构建了成型部件最忌轮廓线宽补偿模型。然而此模型仅能“照顾”到水平位置，无法把成型位置对尺寸精度的影响算在内。

（一）成型位置上最佳轮廓线宽补偿模型。

为了缩减喷头把温度传导到部件已成型完成的端面，预防该部门局部熔融，喷头外层通常创设成圆锥状，让底部的面积能够越小越好，而把其内孔预设为圆柱状，方便对熔融态的PLA纤维材料被顺利流出，喷头剖面放大的见图间图1。

图1 喷头剖面图笔者所运用的成型原料是聚乳酸，其隶属高分子聚合物，是一类热塑性原料，依照其特征能够发现，其是粘弹力原料。如果处于熔融态的PLA原料从喷头中溢出，原料自身的气温要高于当日外界气温，PLA原料在挣脱喷头的束缚后，因为PLA溶体的弹性功能，流出原料会立刻胀大，在气温阶梯的影响下优惠快速凝结，导致PLA丝的内径要较喷头内径为大。假定PLA丝从喷头流出后没有受到束缚，那么其心态是圆柱状，然而在熔融沉积的阶段，PLA丝被喷头与部件已成型部门的束缚，流出的PLA丝并非圆柱状，而是体现出很想圆柱状的不规则情状，其实际形状受到挤压速率、扫描填充速率、喷头气温、环境气温、原料伸缩等很多元素的作用。使用扫描电子显微设备观察成型部件的端面形态发现，PLA丝的情状类似于椭圆状。

（二）熔融沉积成型部件机械特性研究

此处仅阐述弯曲实验。

弯曲实验通常用以测试原料在售弯曲荷载时弯曲强度与形变量的数据，是商品品质管控、设计与选材的关键参考数据。弯曲强度是原料承担垂直作用于其纵轴上弯曲载荷的功能数据，弯曲载荷所形成的应力是压缩应力与伸缩应力的合力。

弯曲实验亚欧两类加载模式——三点屈伸与试点屈伸实验，笔者对实验样本实施三点屈伸实验。三点屈伸，p是施加负荷，l是实验样本尺寸、L是支座间的长度。把实验样本置于两个支座上，在两个支座核心中施与负荷，让样本形变到既定挠度是的极大屈伸应力叫做抗弯强度。

图2 樣本实验图本实验根据所预设的正交实验方案完成，实验样本的三维模型也已经获得。使用微机管控电子万能实验设备对实验样本实施三点屈伸实验。负荷施加速率是2mm/min，跨距L是30毫米。把实验所得的屈服负荷代进算式内能够获得抗弯强度σf，实验结论也已经获得。当中，σf是抗弯强度;P是实验样本所承担的最大弯曲负荷（断裂负荷、屈服负荷、或定挠度负荷）;b是实验样本宽度;h是实验样本厚度。

三、结语

快速成型科技是新式的制造工艺，目前已经被推广使用于工业造型、机器制作、航空航天、建筑、医学、文化艺术等行业。熔融沉积成型是快速成型工艺的一类景点的成型技术。因为其造型设施简便、成本可控、成型原料被推广使用与成型阶段对生态友好等优势，有着极强的市场潜力。但是，因为受到成型理论、成型体系、成型工艺数据与成型原料本身特征等多层面的元素影响，熔融沉积成型部件的进度与机械特性相对很低。怎样解决这些难题，是未来一段时间里同行业者的共同命题。

参考文献：

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