Improving the accuracy and surface quality of additive manufacturing products

Victor Evgenievich Ovsjannikov; Овсянников Виктор Евгеньевич; Roman Yurievich Nekrasov; Некрасов Роман Юрьевич; Julia Alexandrovna Tempel; Темпель Юлия Александровна; Alexander Ivanovich Starikov; Стариков Александр Иванович; Arseniy Sergeevich Gubenko; Губенко Арсений Сергеевич

doi:10.17816/0321-4443-683372

Improving the accuracy and surface quality of additive manufacturing products

作者: Ovsjannikov V.E.¹, Nekrasov R.Y.¹, Tempel J.A.¹, Starikov A.I.¹, Gubenko A.S.¹
隶属关系:
1. Industrial university of Tyumen
栏目: Quality, reliability
##submission.dateSubmitted##: 08.06.2025
##submission.dateAccepted##: 04.09.2025
##submission.datePublished##: 04.09.2025
URL: https://journals.eco-vector.com/0321-4443/article/view/683372
DOI: https://doi.org/10.17816/0321-4443-683372
ID: 683372

如何引用文章

全文:

开放存取

##reader.subscriptionAccessGranted##
受限制的访问

订阅或者付费存取

详细
全文:
作者简介
参考
补充文件
统计

详细

BACKGROUND: This scientific article is devoted to the issues of increasing the dimensional accuracy of products obtained through additive technologies. As a production method, printing with molten polymer thread through an extruder (FFF printing technology) is considered. The main problem in the production of products using this method is the lack of a systematic understanding in terms of the purpose of process modes that ensure the required accuracy and surface quality of the resulting products. This paper proposes an approach that makes it possible to develop technological recommendations for the purpose of printing modes that ensure the stable receipt of the required output process parameters.

AIMS: this research consists in development of methodological approach to assignment of technological modes of printing with molten polymer thread, which provide stable provision of required parameters of dimensional accuracy and quality of surface layer of products.

METHODS: As the main process equipment, printers have been used that print products using material feed through an extruder nozzle. The study of the directions for improving the accuracy and quality of the surface of products was carried out using the hierarchy analysis method, which allows evaluating options taking into account the degree of their significance. The study of the vibrations of the printer elements was carried out using an accelerometer sensor. The surface roughness of the products was measured on a profiler, and the dimensions were measured using a micrometer.

RESULTS: As a result of the calculation of the comparison coefficients in the analysis of the directions of increase in dimensional accuracy and print quality of the molten polymer thread, it was found that the best combination of criteria has an option that is associated with the analysis and reduction of vibrations during printer operation. As a result of the analysis of vibrations that occur under various technological conditions, resonance conditions were revealed. An application firmware has been developed that allows you to configure the printer drive with the ability to eliminate resonances. As a result of studies of the accuracy and quality of the surface of products obtained on the basis of eliminating resonance phenomena and without it, it was found that the first option can significantly improve the output parameters of the process. As a prospect for further research, it is advisable to carry out a theoretical generalization of the results obtained in order to extend the proposed approach to printers of other designs, thereby making it more universal.

CONCLUSION: Studies have shown that the use of a methodological approach, which consists in identifying and eliminating resonant phenomena, makes it possible to increase the dimensional accuracy and surface quality of products obtained using additive technologies.

The material was prepared as part of the grant work. Grant Agreement No. 4808/NPC dated 12/19/2024

关键词

enhancement, resonance, conditions, additive technologies, analysis

全文:

Введение

В качестве вектора развития современного промышленного производства можно выделить расширение области применения аддитивных технологий. Данная группа технологий обладает рядом объективных преимуществ, основными среди которых являются [1-3]:

– возможность получения изделий сложно формы и разных размеров фактически на одном и том же оборудовании без необходимости замены инструмента и приспособлений. Таким образом, возможна минимизация времени на подготовку операции;

– высокие значения коэффициентов использования материала из-за того, что в ряде случаев изделия не требуют существенной чистовой и финишной обработки. В среднем достигаемые значения коэффициента использования материала для аддитивных технологий выше на 15-40% чем для субстрактивных технологий [4-6];

– высокая гибкость технологии, которая характеризуется как технологическими, так и организационными аспектами;

– возможность одному человеку реализовать как разработку конструкторской документации (при минимальных объемах выпуска достаточно разработать 3Д-модель), так и реализовать технологическую подготовку производства, вплоть до разработки управляющей программы и ее отладку;

– использование аддитивных технологий позволяет получать изделия с особыми свойствами за счет комбинации различных материалов, особенно эффективно этого можно достичь с использованием селективного лазерного спекания.

Однако помимо указанных выше плюсов, аддитивные технологии имеют некоторые недостатки. Наиболее критичных два:

– в отличие от традиционного изготовления изделий в технической литературе отсутствуют рекомендации по назначению режимов печати, поэтому получение требуемых параметров изделия чаще всего выполняется опытным путем, что снижает эффективность технологии в целом;

– ряд технологий обеспечивает сравнительно низкую размерную точность и качество поверхности изделий. Особенно это характерно для наиболее широко используемой технологии получения изделий посредством печати, расплавленной полимерной нитью.

На сегодняшний день проводятся исследования в части повышения точности получения изделий, получаемых методами FFF-печати. Каждое из них имеет свои преимущества и недостатки [7-12], которые приведены в таблице 1.

Таблица 1. Основные направления повышения точности и качества поверхности изделий, получаемых посредством печатью расплавленной полимерной нитью

Направление	Основные плюсы	Основные минусы	Количественная оценка эффекта
Выбор размера фильеры (уменьшение диаметра) (ВФ)	Повышение детализации печати (более высокое размерное разрешение по осям XY)	Снижение скорости печати; сопло с диаметрами <0,4 мм легче засоряется, требовательно к калибровке и чистоте материала	Увеличение разрешения по XY ~в 2 раза (минимальный размер элемента ~0,7 мм → ~0,4 мм)
Настройка подачи (калибровка экструдера) (КЭ)	Точный объем экструдируемого пластика исключает пере-/недоэкструзию, повышает геометрическую точность деталей (минимизирует систематические отклонения)	Требуется время на калибровку под каждый материал; не устраняет иных причин погрешностей (вибраций, усадки и другие)	Отклонения размеров снижаются с ~±0,3 мм до ~±0,1 мм
Улучшенное охлаждение (обдув детали) (УО)	Улучшает качество печатинависаний и мостов за счёт быстрого затвердевания слоя; уменьшает нитевидные дефекты (stringing) и наплывы на краях слоев	Для материалов типа ABS/PA чрезмерный обдув может вызывать расслоение (из-за быстрого остывания); требует более мощных вентиляторов (повышенный шум, вибрации)	Допустимый угол нависания без поддержек увеличен с ~45° до ~60°; снижается количество дефектов на поверхности нависающих участков

Окончание таблицы 1

Компенсация вибраций (InputShaping) (КВ)	Значительно снижает вибрации и эффект «ряби» (ringing) на стенках, что позволяет печатать с гораздо большими ускорениями без потери качества	Требует специальной прошивки/контроллера (Klipper, Marlin 2.x) и настройки под конкретный принтер (например, использования акселерометра для автонастройки)	Повышение скорости печати ~на 40% без ухудшения качества
Замена кинематики (CoreXY, Delta и т. п.) (ЗК)	Меньшая масса подвижных частей снижает инерционные вибрации; более жесткая, симметричная конструкция повышает точность позиционирования и повторяемость	Усложнение конструкции и алгоритмов управления; удорожание (больше двигателей, длинные ремни/тяги), сложность калибровки геометрии механической системы	Максимальные ускорения и скорости перемещений можно увеличить ~в 1,5–2 раза (меньше «рябь» при той же скорости печати)
Альтернативные материалы (композиты, новые полимеры) (АМ)	Улучшение свойств изделия: выше прочность, теплостойкость; меньшая усадка и деформация при остывании (например, армирование ABS углеволокном уменьшает коробление«warping»)	Требуется адаптация процесса под материал: повышенные температуры сопла/стола, специальное сопло (для абразивных наполнителей), сушка и хранение пластика в требуемых условиях	Модуль упругости ABS при добавлении углеволокна повышается ~на 35%; коэффициент термического расширения и эффект коробления существенно снижаются
Адаптивнаяподача материала (Pressure / Linear Advance) (АП)	Синхронизирует подачу с движением, устраняя запоздание и избыточный пластик на участках изменения траектории; меньше «наплывов» на углах, равномерная толщина стенок	Требуется калибровка параметров под каждую связку принтер-материал (особенно для Bowden); не ускоряет печать, а улучшает качество в зонах изменения скорости	~90% уменьшение дефектов на резких углах (близко к полному устранению избыточного материала на переходах)
Оптимизация высоты слоёв и ширины экструзии (ОК)	Подбор минимально достаточной высоты слоя улучшает качество поверхности (ниже Ra); оптимальная ширина линии и число периметров повышают размерную точность	Слишком маленькая высота слоя резко замедляет печать и может привести к перегреву материала без прироста качества; чрезмерная толщина линии или недостаточное число периметров ухудшают точность размеров	Шероховатость Ra снижается ~на 25% при уменьшении высоты слоя; отклонение размера стенки ≈0 мм при 3 периметрах (против ~0,1 мм при 1 периметре)

Таким образом, необходимо провести анализ указанных в таблице 1 напарвлений повышения точности и качества поверхности изделий, получаемых посредством FFF-печати, выбрать наиболее рациональный и реализовать его на практике.

Цель данного исследования состоит в разработке методологического подхода к назначению технологических режимов печати расплавленной полимерной нитью, которые обеспечивают устойчивое обеспечение требуемых параметров размерной точности и качества поверхностного слоя изделий.

основная часть

Выбор направления для повышения точности размеров и качества поверхности изделий, получаемых печатью расплавленной полимерной нитью, выполнялся с использованием метода анализа иерархий [13, 14]. Рассматривалась иерархия, которая состоит из трех уровней.

В качестве альтернатив были включены методы, представленные в таблице 1. Критерии сравнения принимались следующие:

– влияние на качество печати (ВНК);

– сложность реализации (СР);

– цена внедрения (ЦВ);

– повышение производительности (ПП).

Расчет коэффициентов сравнения производился как с использованием экспертных методов сравнения [15, 16] (в тех случаях когда нет возможности получения объективных численных данных), так и с помощью численной оценки.

На рис. 1 приведена полная доминантная иерархия по выбору направления повышения качества поверхностного слоя и размерной точности изделий, получаемых с использованием аддитивных технологий.

Рис. 1. Полная доминантная иерархия по выбору направления повышения качества поверхностного слоя и размерной точности изделий, получаемых с использованием аддитивных технологий.

Пример расчета коэффициентов сравнения для критерия повышение производительности приведен на рис. 2.

Рис. 2. Расчет коэффициентов сравнения для критерия «Поывшение производительности».

Результаты

В результате комплексной оценки направлений по повышению размерной точности и качества поверхности изделий, получаемых посредством аддитивных технологий были получены значения коэффициентов, которые приведены на рис. 3.

Рис. 3. Велитчина коэффициентов сравнения.

Из рис. 3 видно, что по рассматриваемой системе критериев, наилучшим сочетанием критериев обладает альтернатива «компенсация вибраций». Для подтверждения результатов комплексного анализа был разработан программно-аппаратный комплекс, состоящий из датчиков вибраций, программного обеспечения по анализу спектров и устройства сопряжения.

Весь комплекс устройств и программного обеспечения дает возможность выявлять и устранять резонансные явления, которые возникают в системе принтера при печати изделий расплавленной полимерной нитью. На рис. 4 приведен пример определения резонансных явлений при печати, расплавленной полимерной нитью.

Рис. 4. Пример определения резонансных явлений при печати, расплавленной полимерной нитью.

Полученные данные позволяют настроить оборудование таким образом, чтобы исключить влияние выявленных источников резонанса. Для проверки состоятельности предлагаемых решений были проведены две серии экспериментов. В первом случае нейтрализация негативного влияния вибраций не использовалась, а во втором была применена.

В качестве образцов были напечатаны цилиндры с диаметром 25 мм и высотой 50 мм. Измерение геометрических размеров выполнялось с использованием микрометра, а шероховатость измерялась на профилографе-профилометре марки Sufrtest 310 от производителя Mitutoyo. В таблице 1 приведены результаты сравнения вариантов.

Таблица 1 – Сравнение вариантов печати изделий расплавленной полимерной нитью

Среднее значение параметров детали	С устранением резонанса	Без устранения резонанса
Квалитет точности по диаметру (IT_D)	9	13
Квалитет точности по высоте (IT_H)	9	13
Среднеарифметическое отклонение профиля (Ra, мкм)	2.5	6.3

Из таблицы 1 видно, что результаты, получаемые с использованием компенсации вибраций существенно превосходят ту ситуацию, когда вибрации не компенсированы.

Для более корректной оценки можно использовать квалиметрический анализ на основе вычисления коэффициентов технического уровня дифференциальным методом [17]. Учитывая особенности данных, которые приведены в таблице 1, можно считать все показатели за негативные. Значение коэффициента сравнения равно:

ОБСУЖДЕНИЕ

На основании комплексной оценки с учетом сформулированной системы критериев сравнения было установлено, что компенсация вибраций дает возможность повысить точность размеров и качество поверхности деталей, которые изготавливаются посредством печати расплавленной полимерной нитью.

Для реализации данного подхода не требуется внесения существенных конструктивных изменений в принтер. Кроме того, важным преимуществом предлагаемого подхода является то, что компенсация вибраций может быть реализована в процессе печати, т.е. возможен активный контроль качества получаемых деталей.

заключение

Проведенные исследования подтверждают эффективность использования метода компенсации вибраций для решения задачи повышения точности размеров и качества поверхности деталей, получаемых печатью расплавленной полимерной нитью. Однако существенным фактором, который затрудняет внедрение данного подхода в промышленную практику является необходимость индивидуального исследования вибраций для каждой единицы оборудования. В этом смысле необходимо разработать теоретическую модель, которая позволит производить предварительную оценку для компенсации вибраций.