创客技术 成型精度的概念及测试方法 051.成型精度的概念及测试方法.docx

国家级职业教育创新创业教育教学资源库 一、成型精度的概念及测试方法 （一）学习目标 了解成型精度的概念 了解成型精度的测试方法 （二）知识平台 成型精度一直是设备研制和原型制作过程中密切关注的问题，也是制约打印成型技术发展、应用的重要方面之一。3D打印时，由于要将复杂的三维加工转化为一系列简单的二维界面的叠加，因此成型精度主要取决于二维X-Y平面上的加工精度，以及高度（Z）方向上的叠加精度。对打印机本身而言，完全可以将X、Y、Z三个方向的运动位置精度控制在微米（μm）级的水平，因而能得到精度相当高的原型。因此特别在加工自由曲面及复杂的内型腔时，3D打印技术比传统的加工方法表现出更明显的优势。然而影响工件最终精度的因素不仅有成型机本身的精度，还有一些其他的因素，而且往往这些其他因素还更难于控制。鉴于上述情况，目前3D打印技术所能达到的工件最终尺寸精度还只能是毫米的十分之一的水平。 成型精度的概念 3D打印成型精度包括打印成型系统的精度，以及系统所能制作出的成型制件的精度。前者是后者的基础，后者远比前者复杂。这是由于3D打印技术是基于材料累加原理的特殊成型工艺所决定的。成型精度与成型制件的尺寸、几何形状、成型材料的性能以及3D打印技术密切相关。 成型系统的精度 打印成型系统的精度包括软件和硬件两部分。软件部分是指CAD模型及层片信息的数据在进行处理时的精度；硬件部分是指成型设备的各项精度，包括成型元素（光束直径、熔滴直径等）的作用范围、激光器、工作台等机械运动精度等。要保证硬件部分的精度，需不断的优化调整设备参数，使其处于最佳状态。 成型制件的精度 成型制件的精度与传统制造中的零件精度概念类似，它包括尺寸精度、形位精度、表面质量等。 （1）尺寸精度 由于各种原因，成型制件与三维CAD数据模型相比，在X、Y、Z三个方向上都会产生一定的尺寸误差。为了测量出其尺寸误差，沿着成型制件坐标轴的三个方向，分别量取出其最大尺寸和误差尺寸，从而计算出相对误差（式5-1）与绝对误差值（式5-1）。另外，一般情况下，打印成型设备说明书中注明的“制件精度”，就是指成型制件其外形尺寸的误差范围，此数据通常情况下是测量制造厂商所制得的测试件得出的数值。 相对误差： ?=A-L （5-1） 式中：△——绝对误差；A——实际值；L——理论值。 绝对误差： δ= （5-2） 式中：—相对误差值；△—绝对误差；L—理论值。 （2）形位精度 打印成型时可能出现的形状误差主要有：翘曲、扭曲、椭圆度、局部缺陷和遗失特征等。翘曲误差是以成型制件的底平面为基准，测量出最高上平面的绝对、相对翘曲变形量。扭曲误差是以成型制件的中心线为基准，测量出最大外径处的绝对、相对扭曲变形量。椭圆误差应沿成型制件的成型方向，选取最大圆的轮廓线，测量其椭圆度。 （3）表面质量 影响打印成型制件表面质量的误差有台阶误差、波浪误差以及粗糙度误差，都应该在成型制件打磨、抛光等后处理进行之前测量出误差数据。 台阶误差通常情况下出现在自由曲面处，如图5-8a所示，以差值△h来衡量。 波浪误差常常出现在成型制件表面的起伏、凹凸不平之处，如图5-8b所示，以全长L上波峰与波谷之间的相对差值△h以及波峰的间距△A来进行衡量。 （ （a） 台阶误差 （b） 波浪误差 图5-8 台阶误差、波浪误差测量方法 成型精度的测试方法 下面以运用FDM技术在不同的系统中（如Stratasys公司的MaXum，Titan以及ProdigY Plus系统）制作的测试工件为例，介绍尺寸精度和表面粗糙度的测试方法。 （1）尺寸精度。3D打印出的制件尺寸精度取决于许多因素，其结果可能会因为不同测量时期而有些微小变化。需要考虑的因素必须包含已知的条件，例如测量的时间范围、工件的修整以及环境的曝晒等。用来进行尺寸精度分析的测试工件如图5-9所示，测试位置包括X、Y、Z三个方向。该工件是由FDM Titan系统在层厚为0.18mm时制作的。 K K I 图 5-9 分析尺寸精度的测试工件 （2）表面粗糙度。由于是半熔融状态热塑性材料挤制成型，导致成型制件的表面粗糙度受到影响，成为FDM技术最明显的限制。当由较小的线材宽度与较薄的层厚来改进表面粗糙度时，仍然可以在成型件的顶面、底面、以及侧面观察到经过挤压喷嘴的等高线轮廓与建构层厚。且经检验，工件的成型方向上，表面粗糙度是完全满足精度要求。因此，要求较高的精度的表面通常以垂直方向成型，较不重要的表面通常以水平方向成形。