機(jī)械制造基礎(chǔ)實驗3D打印.doc

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快速成形加工實驗 班級：9131011404 姓名:馬驍哲 學(xué)號：913000710022 一、實驗?zāi)康? 1、了解FDM 3D打印工藝的成形原理； 2、熟悉FDM 3D打印機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)及操作方法； 3、學(xué)習(xí)3D打印軟件的使用方法。 二、實驗內(nèi)容 1、選擇適合打印的三維模型，利用FDM 3D打印機(jī)完成加工； 2、測量打印件的尺寸精度； 3、分析影響打印精度及打印效率的關(guān)鍵因素。 三、實驗設(shè)備 1、HOFI-X1 FDM 3D打印機(jī) 2、去支撐用工具鉗、工具 四、實驗原理 FDM（Fused Deposition Modeling）中文全稱為熔融沉積成型3D打印技術(shù)，使用絲狀材料(塑料、樹脂、低熔點(diǎn)金屬)為原料，利用電加熱方式將絲材加熱至略高于熔化溫度，在計算機(jī)的控制下，噴頭作x-y平面運(yùn)動，將熔融的材料涂覆在工作臺上，冷卻后形成工件的一層截面。一層成形后，噴頭上移一層高度，隨后開始加工下一層，由此逐層堆積形成三維工件，打印原理如圖1所示。 圖1 FDM三維打印技術(shù)原理圖 在打印過程中，線材通過打印噴頭擠出的瞬間將會快速凝固，根據(jù)材料的不同以及模型設(shè)計溫度的不同，打印頭的溫度也不盡相同。為了防止打印零件出現(xiàn)翹曲變形等問題，一般還需在噴頭溫度升溫后對打印平臺進(jìn)行預(yù)熱處理，以此降低零件加工過程中的溫度梯度。為便于零件加工完成后從打印平臺上剝離，一般需在打印平臺上預(yù)先置放隔層，噴頭擠出的線材直接在隔層上成形。 FDM 3D打印技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是材料利用率高、材料成本低、可選材料種類多、工藝簡潔。缺點(diǎn)是精度較低、復(fù)雜構(gòu)件不易制造、零件懸垂區(qū)域需加支撐、表面質(zhì)量較差。該工藝適用于產(chǎn)品的概念建模及功能測試，適合中等復(fù)雜程度的中小原型，不適合制造大型零件。 五、實驗步驟 1、熟悉打印控制軟件的操作界面及主要功能模塊； 2、熟悉HOFI-X1 FDM 3D打印機(jī)的主要結(jié)構(gòu)及操作方法，通過USB數(shù)據(jù)線連接計算機(jī)和打印機(jī)，連接電源適配器給打印機(jī)供電，如圖2所示： 圖2 打印機(jī)線路連接 3、在控制軟件中選擇端口并連接打印機(jī)，將指導(dǎo)教師指定的標(biāo)準(zhǔn)零件模型、以及任選的個性化模型導(dǎo)入控制軟件； 4、選擇控制軟件中的“位置”按鈕，對導(dǎo)入模型執(zhí)行平移、縮放操作，隨后將模型對中，如圖3所示； 圖3 模型導(dǎo)入及對中 5、對模型執(zhí)行切片操作，根據(jù)需要調(diào)整切片參數(shù)； 6、點(diǎn)擊“運(yùn)行任務(wù)”按鈕，等打印機(jī)噴頭、底板溫度加熱到設(shè)置溫度后，打印機(jī)將開始打印，記錄打印開始時間； 7、觀察打印過程，分析影響打印效率的關(guān)鍵因素； 8、記錄打印結(jié)束時間，模型打印完成后，待噴頭及打印平臺冷卻后，再取模型； 9、從打印平臺上取出附著模型的打印底板(即是帶規(guī)則網(wǎng)點(diǎn)的塑料板。手握鏟刀（鏟刀首次使用需要開封)，將刀口放在模型與打印底板之間，用力慢慢鏟動，來回撬松模型，如圖4所示； 圖4 取出模型 10、零件打印結(jié)束后，斷開打印機(jī)電源適配器，清潔打印噴頭及打印平臺，關(guān)閉計算機(jī)。  快速成型實驗報告 班級：9131011404 姓名:馬驍哲 學(xué)號：913000710022 成績_________ 一、實驗數(shù)據(jù)記錄 模型 數(shù)據(jù) 標(biāo)準(zhǔn)零件 自選零件 噴頭預(yù)熱時間（min） 4.67 4.67 平臺預(yù)熱時間（min） 3.17 3.17 零件尺寸 (長?寬 ?高，mm) 15mm*15mm*11mm 切層厚度(mm) 0.18mm 0.18mm 切層數(shù)量 60 12 填充路徑類型 網(wǎng)格填充 網(wǎng)格填充 打印材料 ABS ABS 打印時間(min) 3.35 12.65 實際打印尺寸 (長?寬 ?高，mm) 15mm*15mm*11.1mm 尺寸精度(mm) 長度方向 IT9 寬度 IT9 高度 IT9 二、實驗討論題 1、FDM三維打印技術(shù)的成形原理？ 答：快速成型技術(shù)是對零件的三維CAD實體模型，按照一定的厚度進(jìn)行分層切片處理，生成二維的截面信息，然后根據(jù)每一層的截面信息，利用不同的方法生成截面的形狀。這一過程反復(fù)進(jìn)行，各截面層層疊加，最終形成三維實 體。分層的厚度可以相等，也可以不等。分層越薄，生成的零件精度越高，采用不等厚度分層的目的在于加快成型速度。 2、 分析影響FDM 3D打印精度的關(guān)鍵因素？ 答：3D打印FDM技術(shù)成形精度包括尺寸誤差、幾何誤差及表面粗糙度。在FDM的3D打印機(jī)成型過程中，影響它精度的因素有如下幾個方面: 　　(1)材料收縮。材料在FDM工藝過程中經(jīng)過固體2液體2固體2次相變。當(dāng)材料凝固成形時,由材料收縮而產(chǎn)生的應(yīng)力應(yīng)變將影響成形件精度。若成形過程中的材料確定,該種誤差可通過在目前的數(shù)據(jù)處理軟件中,設(shè)定x, y, z這3個方向上的“收縮補(bǔ)償因子”進(jìn)行尺寸補(bǔ)償來消除。 　　(2)噴頭溫度和成形室溫度。噴頭溫度決定了材料的粘結(jié)性能、堆積性能、絲材流量以及擠出絲寬度,既不可太低,使材料粘度加大,擠絲速度變慢,也不可太高,使材料偏向于液態(tài),粘性系數(shù)變小,流動性強(qiáng),擠出過快,無法形成可精確控制的絲。噴頭溫度的設(shè)定應(yīng)根據(jù)絲材的性質(zhì)在一定范圍內(nèi)選擇,以保證擠出的絲呈熔融流動狀態(tài)。成形室的溫度會影響到成形件的熱應(yīng)力大小,溫度過高,雖然有助于減少熱應(yīng)力,但零件表面易起皺;而溫度太低,從噴嘴擠出的絲驟冷將使成形件熱應(yīng)力增加,易引起零件翹曲變形。實驗證明,為了順利成形,應(yīng)該把成形室的溫度設(shè)定為比擠出絲的溫度低1℃～2℃。本實驗將成形室溫度設(shè)定為55℃。 (3)分層厚度。是指在成形過程中每層切片截面的厚度。由于每層有一定厚度,會在成形后的實體表面產(chǎn)生臺階的現(xiàn)象,將直接影響成形后實體的尺寸誤差和表面粗糙度。對FDM工藝,這是一種原理性誤差,要完全消除臺階是不可能的,只可能通過設(shè)定較小的分層厚度來減少臺階效應(yīng)。 (4)補(bǔ)償量。是指零件實際加工輪廓線與理想輪廓線之間的距離值。該值的設(shè)定與擠出絲的直徑有關(guān),可以在分層切片數(shù)據(jù)處理軟件直接設(shè)定。 　　(5)擠出速度與填充速度及其交互作用。在與填充速度合理匹配范圍內(nèi),隨著擠出速度增大,擠出絲的截面寬度逐漸增加,當(dāng)擠出速度增大到一定值擠出的絲粘附于噴嘴外圓錐面,就不能正常加工填充速度比擠出速度快,則材料填充不足,出現(xiàn)斷絲現(xiàn)象,難以成形。相反,填充速度比擠出速度慢,熔絲堆積在噴頭上,使成形面材料分布不均勻,表面會有疙瘩,影響造型質(zhì)量。因此,填充速度與擠出速度之間應(yīng)在一個合理的范圍內(nèi)匹配,應(yīng)滿足vj / vt = [ a1 , a2 ] (1式中: a1為出現(xiàn)斷絲現(xiàn)象的臨界值; a2為出現(xiàn)粘附現(xiàn)象的臨界值; v為擠出速度; v為填充速度。 　　(6)成形時間。每層的成形時間與填充速度該層的面積大小及形狀的復(fù)雜度有關(guān)。若層面積小,形狀簡單,填充速度快,則該層成形的時間就短相反,時間就長。在加工時,控制好每層的成形時間,才能獲得精度較高的成形件。 　　(7)開啟和關(guān)閉延時。即絲材堆積的起停效應(yīng),主要是以絲材堆積截面的變化體現(xiàn)出來,這種堆積截面的不一致容易造成絲材堆積平面的不平整出現(xiàn)空洞等質(zhì)量缺陷。而“拉絲”現(xiàn)象會影響到原型的表面光順和填充層層內(nèi)絲材堆積面的平整性它的根本解決需要出絲速度能夠?qū)崟r地藕合跟蹤掃描速度,針對掃描速度的變化作出相應(yīng)的調(diào)整,以使絲材堆積平穩(wěn)可靠,提高絲材的堆積質(zhì)量。 3、 分析影響FDM 3D打印效率的關(guān)鍵因素？ 答：即打印方向、打印速度、退火溫度和退火時間。 1.產(chǎn)品最佳的打印方向是水平放置的，同時水平放置能夠使得最后的打印產(chǎn)品抗拉力更強(qiáng)。 2.在打印速度方面，可以從一般實驗室的45毫米/秒提高到90毫米/秒，3D打印速度提升不少。 3.打印完成后的物品放入工業(yè)爐中進(jìn)行退火處理的最佳時間是30分鐘，溫度為140攝氏度。需要注意的是，PLA線材最初的擠出溫度是190攝氏度。