朱小明

（華南理工大學(xué) 廣州學(xué)院，廣州 510800）

0 引言

有學(xué)者預(yù)言：“三維打印將帶來第三次工業(yè)革命”。三維打印技術(shù)為增材的制造方法，能直接制造復(fù)雜的三維工件，使加工精密程度和制造的效率得到很大的提升，為產(chǎn)品創(chuàng)新提供很大的空間，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)。

橢圓環(huán)截面SCMW齒輪為新原理齒輪，又稱空間曲線嚙合輪(Space-Curve-Meshing-Wheel，SCMW)，是基于空間曲線嚙合原理，即實(shí)現(xiàn)嚙合傳動(dòng)的是一對(duì)空間曲線，屬于復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)零件。圖1所示為橢圓環(huán)截面SCMW齒輪的機(jī)構(gòu)示意圖。該機(jī)構(gòu)包括主動(dòng)輪、從動(dòng)輪和支架。主動(dòng)輪輪體上端面的圓周上均勻分布著主動(dòng)鉤桿，從動(dòng)輪輪體柱面的圓周上均勻分布著從動(dòng)鉤桿。當(dāng)主動(dòng)輪運(yùn)動(dòng)時(shí)，主動(dòng)鉤桿與從動(dòng)鉤桿作用可實(shí)現(xiàn)連續(xù)的空間嚙合傳動(dòng)。

傳統(tǒng)的減材制造因受刀具或模具的限制，往往無法成形一些形狀復(fù)雜的工件。剛開始，空間曲線嚙合輪的加工主要采用靠模法，隨著三維打印技術(shù)的發(fā)展，目前已實(shí)現(xiàn)光固化快速成型制造空間曲線嚙合輪和基于選區(qū)激光融化成型制造空間曲線嚙合輪，并取得了較好的加工效果。

FDM打印技術(shù)為目前使用最為普及的三維打印技術(shù)。文本采用FDM打印機(jī)（北京太爾時(shí)代有限公司的UP！三維打印機(jī)）加工橢圓環(huán)截面SCMW齒輪，分析FDM工藝的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，講述工藝過程和工藝的優(yōu)化，最終實(shí)現(xiàn)SCMW齒輪的優(yōu)化加工。

圖1 橢圓環(huán)截面SCMW齒輪的機(jī)構(gòu)示意圖

1 FDM關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)

1.1 層厚

FDM打印加工前，必須對(duì)模型進(jìn)行切片處理，沿模型高度方向（Z軸正方向），將模型分割成一系列具有一定厚度的二維截面輪廓片層。片層厚度的設(shè)定將直接影響模型的加工精度。片層厚度一般取恒定值，即模型進(jìn)行等分切片，各片層厚度相等。片層厚度值范圍通常為0.05mm～0.5mm。層厚越大，雖然加工時(shí)間會(huì)越短，但模型表面條紋和階梯效應(yīng)就越明顯，模型精度和表面質(zhì)量越差。層厚的設(shè)定要根據(jù)模型特點(diǎn)和加工需求來確定。一般來說，如果模型尺寸小，高度方向上曲面多，那么層厚值要小。相反，模型尺寸較大，形狀規(guī)則，曲面少，為節(jié)省加工時(shí)間，層厚可取大一點(diǎn)。

1.2 填充路徑

FDM打印中噴頭一邊根據(jù)填充路徑做掃描一邊擠出材料絲，所以要打印成功必須要有合理的填充路徑。FDM工藝中填充路徑一般如圖2所示兩種方式：1）先確定輪廓表面填充層的層數(shù)，層的偏置距離；再確定內(nèi)部填充的角度和行距。例如圖2(a)表面填充層為5層，層的偏置距離0.4mm，內(nèi)部填充角度0和行距0.8mm；2）等距偏移方式。以輪廓層不斷地向內(nèi)部偏移進(jìn)行計(jì)算，要確定偏移的距離。如圖2(b)所示，偏移的距離0.8mm，得到偏移層數(shù)為4。

圖2 填充路徑

圖3 支撐角度

填充路徑一般以第一種方式為主，因?yàn)榇朔绞侥芨?、更靈活地控制工件表面強(qiáng)度和內(nèi)部材料的填充量。

1.3 支撐角度

FDM打印工藝存在支撐結(jié)構(gòu)問題。工件在高度方向上若存在懸空結(jié)構(gòu)，加工時(shí)則可能存在支撐結(jié)構(gòu)。支撐量最小值最好在去除支撐難易程度和加工質(zhì)量之間取得平衡。如果支撐少了，則工件會(huì)發(fā)生材料坍塌；反之，會(huì)造成材料浪費(fèi)、去除支撐費(fèi)時(shí)等問題。支撐量的多少由支撐角度來決定。工件中小于支撐角度的地方都會(huì)存在支撐，反之則不存在支撐。圖3中紅色部分為支撐結(jié)構(gòu)，其中圖3（a）的支撐角度為60o，圖3（b）的支撐角度為10o，所以支撐角度越大，支撐量越多。

1.4 掃描速度、推料速度

FDM打印過程中，熱噴頭以一定的速度擠出材料同時(shí)以一定的速度進(jìn)行掃描。噴頭的掃描速度與噴頭推料速度要相匹配。掃描速度過快，會(huì)造成材料絲間斷沉積，材料填充不足，加工失敗。相反，掃描速度過慢，會(huì)造成材料沉積過量，形成結(jié)塊。

2 SCMW齒輪打印制造實(shí)驗(yàn)

2.1 UP！打印機(jī)的操作

FDM的原理是通過噴頭加熱材料至熔融狀態(tài)，工作時(shí)，噴頭按路徑移動(dòng)出絲，材料絲快速凝固沉積成為一個(gè)截面層，反復(fù)沉積，最終形成三維模型。

UP！打印機(jī)采用單噴頭機(jī)構(gòu)，用ABS絲材。對(duì)主動(dòng)齒輪進(jìn)行加工：1）啟動(dòng) UP！軟件，載入三維模型，編輯，參數(shù)設(shè)定，分層計(jì)算；2）打開三維打印機(jī)，系統(tǒng)上電，啟動(dòng)“初始化”命令，讓打印系統(tǒng)執(zhí)行初始化操作；3）設(shè)定噴嘴高度，使噴嘴和工作臺(tái)有一個(gè)合適的距離；4）平臺(tái)預(yù)熱達(dá)到100℃，三維打??；5）打印完成，取下打印平板，取出模型；6）模型后處理。

2.2 確定成形方向

在FDM 工藝中工件的成形方向會(huì)影響打印件的精度和質(zhì)量、打印效率、支撐材料多少和支撐去除難易程度等。一般的原則：垂直面比斜面質(zhì)量好；水平方向的精度和強(qiáng)度比垂直方向的要好；垂在直面上的圓形孔、圓柱質(zhì)量比在水平面上的差。主動(dòng)齒輪模型尺寸為76.80×76.80×68.36mm，若按層厚同為 0.2mm計(jì)算，按圖4（a）～圖4（c）所示的三種方向放置進(jìn)行打印，得到結(jié)果如表1所示。

圖4 三種成形方向

根據(jù)表1，從加工時(shí)間、絲材消耗的比較，顯然（a）優(yōu)于（b）和（c）；（b）的零件成形質(zhì)量會(huì)較差，有較明顯的階梯效果。另外（b）和（c）打印零件的支撐材料要比（a）多，尤其是在齒輪的鉤桿上，支撐材料的去除比較困難，對(duì)鉤桿表面質(zhì)量影響較大，鉤桿曲面的成形質(zhì)量較差。所以（a）的成形方向最好。

表1 不同成形方向的加工比較

2.3 確定層厚

Up！三維打印機(jī)的成形厚度為0.15mm～0.4mm，其中以0.05mm為增長(zhǎng)數(shù)可調(diào)分層厚度。表2為不同層厚的加工比較。

表2 不同層厚的加工比較

從表2可以看到層厚越小，層數(shù)越多，加工時(shí)間越長(zhǎng)，耗材越少和分層誤差一般較小。層厚0.15mm的打印時(shí)間比層厚0.2mm時(shí)增長(zhǎng)較多；層厚0.25mm的分層誤差雖比0.2mm時(shí)小，但0.25mm層厚加工出的曲面成形效果較差。打印時(shí)間越長(zhǎng)，翹曲變形情況越明顯，所以零件的加工時(shí)間不宜太長(zhǎng)。所以從加工效率、精度等綜合考慮，加工時(shí)可取層厚為 0.2mm。

2.4 確定填充路徑

Up！軟件的填充路徑為上述方式的第一種，其中輪廓側(cè)面的表面填充層層數(shù)固定為2層，內(nèi)部填充角度值固定為45°。要設(shè)定的參數(shù)包括輪廓水平面上的表面填充層層數(shù)（也可定義為密封層）和內(nèi)部填充的行距。

表3 不同密封層數(shù)的加工時(shí)間和耗材(此實(shí)驗(yàn)行距取4mm)

齒輪為運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，加工后對(duì)強(qiáng)度有一定的要求，要能實(shí)現(xiàn)其裝配和運(yùn)動(dòng)效果。密封層越多，行距越小，模型的強(qiáng)度越好，但加工時(shí)間也越長(zhǎng)和材料消耗越多。從表3可以看到密封層增加時(shí)，材料消耗和加工時(shí)間的增長(zhǎng)變化較少。從表4得出的數(shù)據(jù)看，行距對(duì)材料消耗和加工時(shí)間的影響較大，其中行距1mm和2mm之間的數(shù)據(jù)變化最大。綜合上述，密封層為5和行距為2mm時(shí)較為合理。

表4 不同內(nèi)部填充距的加工時(shí)間和耗材（密封層取5）

2.5 確定支撐角度

針對(duì)主動(dòng)齒輪模型，為確保鉤桿曲面部分的疊加成形效果，防止變形或下榻等情況，設(shè)定支撐角度一般應(yīng)為45°以上。

表5 不同支撐角度的加工時(shí)間和耗材

從表5看到，當(dāng)支撐角度從45°增加到60°時(shí)，對(duì)材料消耗和加工時(shí)間的影響不大，但當(dāng)為80°時(shí)有了較大的增加。支撐角度為80°時(shí)，會(huì)產(chǎn)生很多不必要的支撐，對(duì)零件的成形效果沒有幫助，反而會(huì)增加去除支撐的時(shí)間，影響表面質(zhì)量。綜上所述，支撐角度可定為60°。

2.6 打印結(jié)果

現(xiàn)FDM普及式三維打印機(jī)為了更利于學(xué)習(xí)和使用，系統(tǒng)軟件中一般不再進(jìn)行具體掃描速度和推料速度值的設(shè)定，而是直接以軟件默認(rèn)的速度運(yùn)行加工，具體速度值不能更改。當(dāng)然也會(huì)有一些選項(xiàng)選擇來影響速度，其中up！軟件中加工質(zhì)量的選項(xiàng)：正常加工、加快加工、精細(xì)加工。三個(gè)選項(xiàng)中噴頭的掃描速度和推料速度會(huì)有所不同，例如精細(xì)加工時(shí)，兩個(gè)速度值都會(huì)相應(yīng)變小。層厚為0.2mm，密封層數(shù)5，行距為2mm，支撐角度為60°，選擇正常加工，最后主動(dòng)齒輪模型加工用時(shí)為5h16m，ABS耗材68.1g，如圖5(a)所示，經(jīng)移除支撐材料后，模型如圖5(b)所示，具有較好的表面質(zhì)量和強(qiáng)度。

圖5 SCMW主動(dòng)齒輪模型

3 結(jié)論

本文闡述了FDM工藝中的重要工藝參數(shù)，針對(duì)橢圓環(huán)截面SCMW齒輪的特點(diǎn)進(jìn)行了工藝優(yōu)化。成形方向要以加工時(shí)間、材料消耗、支撐量多少及零件成形質(zhì)量來綜合考慮；層厚越小，精度越好，但加工時(shí)間也越長(zhǎng)；填充路徑中不同的密封層數(shù)和行距形成不同強(qiáng)度的工件；設(shè)置支撐角度時(shí)要在支撐材料的最小值與零件的質(zhì)量和移除支撐材料的難易程度之間形成一種平衡。最后直接運(yùn)用FDM三維打印機(jī)加工得到主動(dòng)齒輪模型，取得較好的成形精度和強(qiáng)度，對(duì)三維打印產(chǎn)品具有一定的參考意義。

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