3.5　熔融沉積成形工藝誤差影響因素

3.5.1　材料特性對誤差的影響

由于FDM工藝中涉及塑料材質的狀態變化，即材料由噴嘴處的烙融狀態擠出至成形平面上逐漸冷卻至固態的過程，這個變化過程中材料的物理性能會發生變化（如密度增大，相應的體積也會減小），這種材料的特性是無法克服的，一旦材料確定則變化規律也確定。但是，成形過程中會受到工藝參數的影響。因此，合理設置各個工藝參數，盡量避免材料收縮引起的精度誤差被放大。

在表3-3中，列出了FDM工藝中常用材料的特性及其主要物理性能。觀察這幾種材料可知，基本都存在收縮變形現象，只是數值大小不同，故要完全消除材料特性產生的誤差非常困難。在設計模型時，合理選擇材料與成形溫度可防止不必要的誤差產生。

3.5.2　打印速度對誤差的影響

受機械結構和運動穩定性的影響，打印速度不僅影響成形件的精度；同時，由于打印速度和絲線的擠出速度有一定的映射關系，所以還會影響到材料離開擠出噴頭時的初速度。當材料被擠出時，從熔融狀態變為固態的過程中冷卻時間也是不盡相同的，從而導致擠出絲在每一條出絲直線上的熱應力收縮條件都不一樣，造成一定的精度誤差。可見，在其他工藝參數都不變的條件下，打印速度不同，擠出材料的固化時間也不相同，最終導致材料的收縮變形量不同而產生變形。通過分析塑料件的物理屬性可知，當打印速度較快時，材料的固化時間變短，收縮變形的幅度較小；當打印速度較慢時，材料的固化時間變長，收縮變形的幅度較大。

3.5.3　打印溫度對誤差的影響

打印溫度主要指擠出頭的設置溫度，圖3-13所示為PLA材料溫度與形態變化關系。由于FDM工藝用的成形材料大多為高分子聚合物，所以其材料物理特性實際上與混合物相類似，那么材料的熔點不是一個確定溫度而是一個溫度的范圍。

如果PLA材料的熔點在155～185℃范圍內，若是溫度參數設置過低，則PLA材料并非完全熔化，仍有少量玻璃態材料存在，在擠出時會影響打印精度和噴頭壽命；若是溫度參數設置過高，PLA材料全部達到熔點溫度以上時呈現液態屬性。但是，PLA材料中有部分聚合物由于溫度高于熔點將出現過燒現象，也會對成形精度造成影響，而且不同分子量的聚合物在冷卻為固態時的熱應力也有所差異，將會產生一定的熱變形。

3.5.4　熔融沉積成形機器誤差的影響

熔融沉積成形機器誤差是設備本身的誤差，屬于系統誤差，應盡可能減小。熔融沉積成形機器誤差主要包括以下三種類型。

（1）工作臺引起的誤差

工作臺引起的誤差分成Z軸方向的運動誤差和X-Y平面的誤差。Z軸方向的運動誤差會直接影響產品在Z方向上的形位誤差，令分層厚度方向的精度變差，引起產品表面的粗糙度值增加，因而必須確保工作臺面與Z軸的垂直度；工作臺在X-Y平面的誤差是指工作臺表面不平，使得制件的理論設計形狀與實際成形形狀有很大差別。

（2）X、Y軸導軌的垂直度誤差

X-Y掃描系統是采取X、Y軸的二維運動，X、Y軸選取交流伺服電動機通過精密滾珠絲杠傳動，同時選取精密滾珠直線導軌導向，由步進電動機驅動同步齒輪的同時帶動噴頭運行。每個傳動過程均會有誤差的產生，設備的加工質量受到現代機械加工水平的制約，它是全部設備加工中普遍存在的問題，難以解決。為了盡量減小這種誤差，必須定期檢測和維護成形設備。

（3）定位誤差

在X、Y、Z三個方向上，成形機的重復定位均可能有所不同，從而造成定位誤差。

3.5.5　分層厚度對誤差的影響

在通常情況下，實體表面產生的臺階將隨著分層厚度的減小而減小，而表面質量將隨著分層厚度的減小而提高，但是如果分層處理和成形的時間過長將影響加工效率。同時，分層厚度增大將使實體表面產生的臺階增大，降低表面質量，但是相對而言會提高加工效率。因此，在實際加工中，要兼顧效率和精度來確定分層厚度，必要時可通過打磨來提高原型表面質量和表面精度。

3.5.6　CAD模型誤差

FDM的第一步就是設計理論上的三維CAD模型，這一步可由三維造型軟件完成。為了進行下一步的模型切片分層處理，必須對此CAD模型進行轉化。而多數快速成形系統使用標準的STL數據模型來定義成形的零件，它是一種用許多空間小三角形面片來逼近三維實體表面的數據模型。在CAD系統將三維CAD模型轉換成STL數據模型的過程中，會出現對三維零件描述的一系列缺陷，主要有以下兩個。

a.采用STL格式的三角形面片近似逼近CAD模型的表面，這本身即是近似的方法，此文件格式把CAD模型連續的表面離散成三角形面片的集合，當實體模型的表面均為平面時將不會產生誤差。但對于現實中的物體而言，曲面是大量存在的，無論曲面精度如何高，也無法完全表達原表面，這種誤差就是不可避免的。另一方面，當有數個曲面進行三角化時，位于曲面相交的地方將有縫隙、重疊、畸變等缺陷的產生，同樣導致了模型精度的降低。

b.分層后的層片文件（采用CLI格式）用線段近似逼近曲線，又將引起誤差。很多研究者提出了減小這類誤差的措施，比如增加三角形面片的數目可以減小這類誤差，但是不可能徹底消除它，而且增加三角形面片會使STL文件過大和加工時間延長。另外，一些研究者研究采用新的模型格式，比如用STEP格式替代STL格式，結果證明可以大大減小這類誤差，但是STEP文件格式文件量比STL文件格式大很多，同樣影響軟件運算處理速度和時間。