熔融沉积型3D打印机机械零件误差对精度的影响

黄斌斌 唐运周 梁飞创

摘要：熔融沉积型3D打印机是一种常见的制造工具，但在打印过程中会产生机械零件误差，影响打印精度。文章探索了熔融沉积型3D打印机的机械零件误差对精度的影响，发现机械零件误差对打印品质的影响包括表面粗糙度增加、细节部分失真，以及打印物件尺寸、形状、位置偏离预期值。针对这些影响，建议采取以下措施：优化机械设计，改进结构以减少制造误差；使用高质量的机械零件，改善打印材料质量；优化打印工艺，选择合适的参数；定期维护和校准机械零件。这些措施可以使机械零件误差对熔融沉积型3D打印机精度的影响降至最小，提高打印品质和准确性。

关键词：3D打印；熔融沉积型；机械零件误差；打印精度

中图分类号：TP334.8   文献标识码：A   文章编号：1674-0688（2023）04-0072-03

0 引言

近年来，3D打印机已经逐渐成为工业制造和个人制作领域的重要工具之一。3D打印技术是一种通过逐层添加材料的方式制造三维实物的方法，相比传统制造技术，3D打印无需制造模具，具有快速生产、灵活性高等优点。3D打印技术的发展可以追溯到20世纪80年代，当时这种技术被称为快速成型技术。到了20世纪90年代，这种技术开始应用于工业制造领域，并被称为增材制造（Additive Manufacturing）［1］。随着3D打印技术的快速发展，越来越多的企业开始使用3D打印机制造产品原型、小批量生产特殊部件等。现在，3D打印技术已经在航空航天、医疗、汽车制造、建筑等领域得到广泛应用。

熔融沉积型3D打印机是一种应用广泛的3D打印机类型，它采用加热后熔化的材料（通常是塑料）制造零件，技术基本原理是通过熔融喷嘴将材料逐层喷射到制造平台上，逐渐建立所需的三维模型。熔融沉积型3D打印机具有打印速度快、材料成本低、适用范围广等优点。然而，熔融沉积型3D打印机的打印精度会受到机械零件误差的影响，这种误差可能来自机械加工、装配、使用过程中的磨损等多方面因素，会导致打印物体表面粗糙、尺寸不准确、形状失真等问题。因此，减小机械零件误差对提高熔融沉积型3D打印机的精度至关重要。

本文通过试验，分析机械零件误差对熔融沉积型3D打印机精度的影响，对比不同误差条件下打印物体的表面质量、尺寸精度等方面的差异，探讨降低机械零件误差的方法，以期提高3D打印的品质和精度。

1 试验方法

1.1 试验设备和材料

本试验采用自主设计的熔融沉积型3D打印机作为试验设备。该打印机由底座、机械臂、喷头、供料器和控制系统等主要部分构成。底座是该打印机的支撑结构，提供整个系统的稳定性和平衡性，由坚固的金属材料构建，确保打印过程中的稳定性。机械臂是打印机的核心组件，负责定位和移动喷头，由关节和伺服驱动器组成，可以在三维空间内精确地控制喷头的位置和方向。喷头是打印机中的关键部件，负责将熔融材料准确地沉积在打印平台上，由陶瓷材料制成，配有加热装置以保持材料的熔化状态，并通过精确的控制机制调节喷嘴的喷射流量和方向。供料器用于提供打印材料，是一种装有材料丝或颗粒的容器，通过旋转或推送机制将材料送入喷头，以供打印过程使用。控制系统是整个打印机的大脑，由计算机和相关的软件组成，可以实现复杂的运动路径规划和打印参数调整。

试验所用材料为ABS（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物）塑料，是3D打印中常用的一种材料，具有优良的耐热性、耐磨性和机械强度，适用于制作各种零件。

1.2 试验步骤

1.2.1 设计测试零件

本试验共设计了3个测试零件，分别为方体、圆柱体和球体。这些测试零件的尺寸和形状都经过仔细计算和设计，旨在测试机械零件误差对不同形状的零件精度的影响。其中，方体的尺寸为20 mm×20 mm×20 mm，圆柱体的高度为30 mm，直径为20 mm，球体的直径为20 mm。

1.2.2 制造测试零件

在打印测试零件之前，需要先校准打印机的位置和状态，通过调整机械臂和喷头的位置和角度，使打印机的坐标系和G代码生成的模型坐标系一致［2］。然后，将ABS塑料颗粒装入供料器中，通过机械臂上的喷头将塑料材料熔化并喷射到热床上，逐层堆叠形成所需的零件。在制造过程中，需要对打印机的打印速度、喷头温度、热床温度等各项参数进行调整，以确保打印质量和精度。

1.2.3 测试零件的测量和分析

完成打印后，需要对测试零件进行测量和分析。使用三坐标测量仪对零件的尺寸和形状进行精确测量，并使用显微镜和光学影像仪对零件表面质量进行观察和分析。通过比较不同误差条件下测试零件的测量结果和实际设计尺寸，得出机械零件误差对打印精度的影响。

1.2.4 试验数据的处理和分析

在试验数据处理和分析过程中，首先需要将测试零件的实际尺寸和设计尺寸进行比较，计算出实际尺寸与设计尺寸之间的误差。然后，将误差数据进行统计和分析，得出机械零件误差对打印精度的影响规律。为更清晰地展示數据分析结果，使用表格的形式对数据进行展示和比较。使用统计学方法对数据进行分析，探究不同机械零件误差条件下，测试零件的尺寸精度和表面质量的变化规律。

在本试验中，通过自主设计的熔融沉积型3D打印机制造不同形状的测试零件，并通过试验和数据分析探究机械零件误差对打印精度的影响。下一步将利用所得试验数据和分析结果，对机械零件进行优化设计，以提高打印精度和增强打印稳定性。

2 试验结果分析

2.1 机械零件误差对打印质量的影响

试验过程发现，机械零件误差对打印质量有着显著的影响。当机械零件存在误差时，打印出的测试零件表面会出现明显的瑕疵和凹凸不平的现象。机械零件误差主要表现为机械结构的不稳定和加工精度的不足，这些因素都会导致打印出的零件质量下降。此外，在打印过程中，过度熔化的喷嘴和温度波动也会导致打印质量降低。

2.2 机械零件误差对打印精度的影响

在试验中，使用多组不同的机械零件打印测试零件，并对比实际尺寸与设计尺寸之间的误差，进一步研究机械零件误差对打印精度的影响。试验结果表明，机械零件误差与打印精度之间存在着密切的关系。当机械零件的误差值较小时，打印出的测试零件的实际尺寸与设计尺寸之间的误差也相对较小。但当机械零件的误差值增大时，测试零件的实际尺寸与设计尺寸之间的误差也会增大。

此外，机械零件的误差类型和误差方向对打印精度的影响也很重要。例如，对于平面零件，若机械零件存在水平方向的误差，则会导致打印出的零件表面存在波浪状的纹理，从而影响零件的使用效果［3］。因此，对不同类型的机械零件，需要采用不同的处理方式，以保证打印精度的稳定性。

2.3 打印结果质量和精度的对比分析

这些试验结果表（见表1和表2）包含了不同尺寸的测试零件，每个测试零件都有特定的设计尺寸。在打印过程中，由于机械零件的误差，测试零件的实际尺寸可能与设计尺寸存在一定的偏差。试验结果表记录了这些误差的变化情况，从表中可以清晰地看到不同机械零件误差条件下的打印质量和精度的变化规律。

表1显示了4个不同的机械零件误差条件（无误差、误差A、误差B、误差C）下的对比结果。平均尺寸误差列显示实际打印零件与设计尺寸之间的平均误差值，单位为mm；打印零件的表面粗糙度以Ra值表示，单位为μm。根据表中的数据，可以观察到随着误差条件的增加，平均尺寸误差、表面粗糙度和细节失真程度均增加。这表明机械零件误差对打印质量和精度产生了显著影响。

表2展示了测试零件在不同误差条件下的打印细节。当误差为0.1 mm时，测试零件的表面质量较好，几乎没有明显的瑕疵，打印细节比较清晰，各部分的细节都能够清晰辨认。随着误差的增大，表面质量逐渐变差。当误差达到0.3 mm时，测试零件的表面出现明显的凸起和凹陷，打印细节明显变得模糊不清，各部分的细节无法清晰辨认。而在误差为0.4 mm的情况下，测试零件的表面质量很差，出现多处显著的瑕疵，严重影响整体表面质量。

3 减少机械零件误差的措施

3.1 机械零件误差原因分析

机械零件误差由多个因素共同作用而产生，包括材料和设备等因素［4］。材料方面，打印材料的质量和稳定性会对打印精度产生影响，低质量或不稳定的打印材料容易引起融合不良，导致打印零件出现层间质量差异和误差。设备方面，打印机的精度和稳定性及打印机的结构设计、运动系统、控制系统等方面都会对打印精度产生影响。此外，打印机的磨损程度等使用状态和维护保养情况也会对打印精度产生影响。

3.2 减少机械零件误差的方法

为提高3D打印精度、减少机械零件误差，本文提出以下减少机械零件误差的方法。

（1）优化机械设计，改善打印机结构设计和运动控制系统是减少机械零件误差的关键方法，合理的机械结构设计、优秀的运动系统及稳定、可靠的控制系统可以提高打印机的精度和稳定性，从而减少机械零件误差的影响。

（2）优化打印工艺，选择合适的参数，或者采用补偿算法，调整打印路径或参数。

（3）使用高质量的机械零件，避免使用已经损坏或磨损的机械零件。

（4）改善打印材料质量，选择高质量、稳定性好的打印材料，可以减少融合不良、层间质量差异等问题，提高打印精度。

（5）科学的维护保养和正确的使用方式也可以减少机械零件误差的影响。及时更换磨损严重的零部件、保证打印机的清洁、避免打印机在不稳定的环境下运行；对打印设备进行定期维护和保养，确保设备始终处于最佳状态。

4 结语

本文通过对熔融沉积型3D打印机的试验研究，深入探讨机械零件误差对打印精度的影响，探索减少误差的方法和提高打印精度的措施。在实际应用中，需要选择优质的设备和材料，采用合适的打印参数，才能够有效降低机械零件误差、提高打印精度。通过实验结果的分析，可以看到不同机械零件误差条件下打印质量和精度的变化规律，为今后的研究和开发提供一定的参考。未来研究方向包括进一步优化打印工艺、开发新型材料、提高打印速度和精度等。相信隨着熔融沉积型3D打印技术的不断发展，其在各个领域的应用和影响也将越来越大。

5 参考文献

［1］房巨强.三维打印快速成形机理及其加工质是控制技术研究［D］.沈阳：东北大学，2010：32-45.

［2］史玉升，闫春泽，魏青松，等.选择性激光烧结3D打印用高分子复合材料［J］.中国科学：信息科学，2015（2）：204-211.

［3］王春净，夏成宝.3D打印技术在航空制造领域的发展初探［J］.机械制造，2014，52（10）：51-52.

［4］张荣红，熊玮，张楠.3D打印技术在传统工艺表现中的应用研究［J］.宝石和宝石学杂志，2015，17（1）：45-49.