MEM-300-E型快速成型机影响成型因素的分析

MEM-300-E型快速成型机影响成型因素的分析邵海军（九江职业技术学院机械工程学院，江西九江332007；）摘要：本文通过叙述快速成型技术在成型过程中，成型精度的好坏受到那些因素的影响，就各方面的因素进行分析。从中找到好的方法进行改善，为以后从事或加工成型类零件能够获得好的精度留下依据。关键词:快速成型;成型精度;MEM-300-E型快速成型机;一、引言：快速成型技术是一门新兴的技术，主要应用于产品的开发、医疗等领域。但在成型的过程中成型精度是快速成型技术的关键问题。如何保证成型精度是一个重点，在此我就MEM-300-E型快速成型机在成型过程中影响到成型精度的几个原因进行了一下分析，希望能够对从事及研究成型技术的朋友有所帮助。二、成型材料材料性能的变化直接影响成形过程及成形件精度，材料在过程中要经过固体－熔体－固体的两次相变，在凝固过程中，由材料的收缩而产生的应力变形会影响成形件精度。如ABS树脂，其收缩的因素主要有两点：(1)热收缩：即材料因其固有的热膨胀率而产生的体积变化，它是收缩产生的最主要原因。由热收缩引起的收缩量:dl＝δ×L×dt，其中δ为材料的线膨胀系数（/℃）;L为零件尺寸（mm）零件X/Y向尺寸;dt为温差（℃）;另外就是制件的公差(按留有加工余量进行取大补偿);(2)因分子取向的收缩：成形过程中，熔态的ABS分子在填充方向上被拉长，又在随后的冷却过程中产生收缩，而取向作用会使堆积丝在填充方向的收缩率大于与该方向垂直的方向的收缩率。我们在计算收缩率时一般是先计算出材料在某一线性方向的收缩率即线性收缩率，然后再算出体积收缩率。假定材料具有完全各向同性，则线性收缩率与体积收缩率之间的关系为SL=(1+SV)1/3-1三、成型温度(1)成型室的温度成形室的温度会影响到成形件的热应力大小，温度过高，虽然有助于减少热应力，但零件表面易起皱（如图1）；而温度太低，从喷嘴挤出的丝骤冷使成形件热应力增加，容易引起零件翘曲变形，由于挤出丝冷却速度快，在前一层截面已完全冷却凝固后才开始堆积后一层，这会导致层间粘结不牢固，会有开裂的倾向（如图2）。试验证明，为了顺利成形，应该把成形室的温度设定为比挤出丝的熔点温度低1~2℃。图1温度过高图2温度过低(2)喷头的温度喷头温度决定了材料的粘结性能和堆积性能、丝材流量以及挤出丝宽度。喷头温度太低，则材料粘度加大，挤丝速度变慢，这不仅加重了挤压系统的负担，极端情况下还会造成喷嘴堵塞，而且材料层间粘结强度降低，还会引起层间剥离（如图3）；而温度太高，材料偏向于液态，粘性系数变小，流动性强，挤出过快，无法形成可精确控制的丝，制作时会出现前一层材料还未冷却成形，后一层就加压于其上，从而使得前一层材料坍塌和破坏（如图4）。因此，喷头温度应根据丝材的性质在一定范围内选择，以保证挤出的丝呈熔融流动状态。试验表明，对于ABS这种材料，喷嘴温度应控制在250℃左右。图3喷头温度太低图4喷头温度太高四、分层高度分层处理产生的误差属于原理误差，分层处理以STL文件格式为基础，成型是靠喷嘴挤出细丝堆积成实体的，细丝被挤压堆积后就有一定的宽度，这一宽度也直接影响成形实体的精度。细丝的宽度（W）与原始丝的直径（d）、层厚（δ）、进丝速度（V进丝）及填充速度（Vt）有关，其关系可表示为W＝V进丝πd2/4Vtδ。为了克服丝的宽度对成形精度的影响，可在软件造型时，根据丝的宽度进行补偿计算，使成形精度达到满意的效果。五、扫描方式X-Y扫描系统采用X-Y二维运动，由伺服电机驱动带动喷头运动。在定位时，会影响定位的精度。(1)扫描过程中，X-Y带动喷头运动存在以下问题：运动惯性力的影响喷头在开始扫描阶段以恒定的速度运动，从静止状态提高到设定扫描速度；在制动阶段，喷头以一定的加速度降低为静止状态，如图5所示。在一般情况下，喷头能很快地进入扫描状态，以一定的速度扫描，在临近另一个边缘处，速度逐渐降低为0。喷头在启动和制动阶段，存在一定的惯性，使得喷头在制件边缘部分将超出设计尺寸的范围，导致制件的尺寸有所增加。图5喷头运动状态图(2)喷头振动的影响：成型过程中，扫描机构对制件的截面作往复填充扫描，如图5所示。由于工作台在运动过程中本身具有一个固有频率，当扫描频率接近系统的固有频率时，振动增大，甚至出现共振现象，制件将产生较大的误差。如图6所示：图6制件边缘超差六、成型时间每层的成形时间与填充速度、该层的面积大小及形状的复杂度有关。若层的面积小，形状简单、填充速度快，则该层成形的时间就短；相反，时间就长。在加工时，控制好喷嘴的工作温度和每层的成形时间，才能获得效果精度较高的成形件。笔者在反复的试验中总结出：在加工一些截面很小的实体时，由于一层的成形时间太短，往往难以成形，因为前一层还来不及固化成形，下一层就接着再堆，将引起“坍塌”和“拉丝”的现象。为了消除这种现象，除了要采用较小的填充速度，增加成形的时间外，还应在当前成形面上吹冷风强制冷却，以加速材料的固化速度，保证成形件的几何稳定性。而成形的面积很大时，则应选择较快的填充速度，以减少成形的时间，这一方面能提高成形效率，另一方面还可减小成形件的开裂倾向，因为成形时间太长时，前一层截面已完全冷却凝固才开始堆积后一层，将会导致层间粘接不牢固。七、填充速度填充速度是指扫描截面轮廓速度或打网格的速度,填充速度应与挤出速度匹配，填充速度比挤出速度快，则材料填充不足，出现断丝现象，难以成形如图7所示。相反，填充速度比挤出速度慢，熔丝堆积在喷头上，使成形面材料分布不均匀，表面会有疙瘩，影响造型质量如图8所示。因此，填充速度与挤出速度之间应在一个合理的范围内匹配，填充速度vt、挤出速度vj应满足vj/vt∈[ɑ1ɑ2]，其中ɑ1为成形时出现断丝现象的临界值，ɑ2为出现粘附现象的临界值。图7断丝现象图8成型面分布不均八、小结：以上几方面的因素分析，主要是通过近几年来从事快速成型的加工和参阅了大量的相关文献，总结了经验和文献的相关内容，实践联系了理论做出的几点分析，可能还有相关的内容遗漏和不对之处，请多包含。参考文献：[1]罗辑、黄强,杜柳青,等。快速成型技术及其应用[J]。起重运输机械,2006(2)；[2]黄虹，塑料成型加工与模具[M]，北京：化学工业出版社,2004；