第五章-熔融沉积快速成型工艺

第五章熔融沉积快速成型工艺快速成型与快速模具制造技术及其应用机械工业出版社（第三版）第五章熔融沉积快速成型工艺熔融沉积快速成型（FusedDepositionModeling，FDM）是继光固化快速成型和叠层实体快速成型工艺后的另一种应用比较广泛的快速成型工艺方法。该工艺方法以美国Stratasys公司开发的FDM制造系统的应用最为广泛。该公司自1993年开发出第一台FDM1650机型后，先后推出了FDM2000、FDM3000、FDM8000及1998年推出的引人注目的FDMQuantum机型，FDMQuantum机型的最大造型体积达到600mm×500mm×600mm。此外，该公司推出的Dimension系列小型FDM三维打印设备得到市场的广泛认可，仅2005年的销量就突破了1000台。国内的清华大学与北京殷华公司也较早地进行了FDM工艺商品化系统的研制工作，并推出熔融挤压制造设备MEM250等。1熔融沉积快速成型工艺的基本原理和特点2熔融沉积快速成型材料及设备3熔融沉积快速成型工艺过程4熔融沉积快速成型工艺因素分析5气压式熔融沉积快速成型系统第五章熔融沉积快速成型工艺1.熔融沉积快速成型工艺的基本原理第一节熔融沉积快速成型工艺基本原理和特点熔融沉积（FusedDepositionModeling，FDM）又叫熔丝沉积，它是将丝状的热熔性材料加热熔化，通过带有一个微细喷嘴的喷头挤喷出来，如果热熔性材料的温度始终稍高于固化温度，而成型部分的温度稍低于固化温度，就能保证热熔性材料挤喷出喷嘴后，随即与前一层面熔结在一起。一个层面沉积完成后，工作台按预定的增量下降一个层的厚度，再继续熔喷沉积，直至完成整个实体造型。图5-1熔融沉积制造工艺的基本原理将实芯丝材原材料缠绕在供料辊上，由电机驱动辊子旋转，辊子和丝材之间的摩擦力使丝材向喷头的出口送进。在供料辊与喷头之间有一导向套，导向套采用低摩擦材料制成，以便丝材能顺利、准确地由供料辊送到喷头的内腔。喷头的前端有电阻丝式加热器，在其作用下，丝材被加热熔融，然后通过出口涂覆至工作台上，并在冷却后形成制件当前截面轮廓。图5-1熔融沉积制造工艺的基本原理第一节熔融沉积快速成型工艺基本原理和特点熔融沉积快速成型工艺在原型制作时需要同时制作支撑，为了节省材料成本和提高沉积效率，新型FDM设备采用了双喷头，如图5-2所示。一个喷头用于沉积模型材料，一个喷头用于沉积支撑材料。双喷头的优点除了沉积过程中具有较高的沉积效率和降低模型制作成本以外，还可以灵活地选择具有特殊性能的支撑材料，以便于后处理过程中支撑材料的去除，如水溶材料、低于模型材料熔点的热熔材料等。图5-2双喷头熔融沉积工艺的基本原理第一节熔融沉积快速成型工艺基本原理和特点2.熔融沉积成型工艺的特点优点：◎系统构造和原理简单，运行维护费用低（无激光器）◎原材料无毒，适宜在办公环境安装使用◎用蜡成形的零件原型，可以直接用于失蜡铸造◎可以成型任意复杂程度的零件◎无化学变化，制件的翘曲变形小◎原材料利用率高，且材料寿命长◎支撑去除简单，无需化学清洗，分离容易◎可直接制作彩色原型缺点：◎成型件表面有较明显条纹◎沿成型轴垂直方向的强度比较弱◎需要设计与制作支撑结构◎原材料价格昂贵◎需要对整个截面进行扫描涂覆，成形时间较长第一节熔融沉积快速成型工艺基本原理和特点指标SLALOMSLSFDM成型速度较快快较慢较慢原型精度高较高较低较低制造成本较高低较低较低复杂程度复杂简单复杂中等零件大小中小件中大件中小件中小件常用材料热固性光敏树脂等纸、金属箔、塑料薄膜等石蜡、塑料、金属、陶瓷等粉末石蜡、尼龙、ABS、低熔点金属等第一节熔融沉积快速成型工艺基本原理和特点FDM工艺与其它快速成型工艺方法的比较：1熔融沉积快速成型工艺的基本原理和特点2熔融沉积快速成型材料及设备3熔融沉积快速成型工艺过程4熔融沉积快速成型工艺因素分析5气压式熔融沉积快速成型系统第五章熔融沉积快速成型工艺第二节熔融沉积快速成型材料及设备1.熔融沉积快速成型材料熔融沉积快速成型制造技术的关键在于热融喷头，喷头温度的控制要求使材料挤出时既保持一定的形状又有良好的粘结性能。除了热熔喷头以外，成型材料的相关特性（如材料的粘度、熔融温度、粘结性以及收缩率等）也是该工艺应用过程中的关键。熔融沉积工艺使用的材料分为两部分：一类是成型材料，另一类是支撑材料。第二节熔融沉积快速成型材料及设备材料的粘度材料的粘度低、流动性好，阻力就小，有助于材料顺利挤出。材料的流动性差，需要很大的送丝压力才能挤出，会增加喷头的启停响应时间，从而影响成型精度。材料熔融温度熔融温度低可以使材料在较低温度下挤出，有利于提高喷头和整个机械系统的寿命。可以减少材料在挤出前后的温差，减少热应力，从而提高原型的精度。材料的粘结性FDM工艺是基于分层制造的一种工艺，层与层之间往往是零件强度最薄弱的地方，粘结性好坏决定了零件成型以后的强度。粘结性过低，有时在成型过程中因热应力会造成层与层之间的开裂。材料的收缩率由于挤出时，喷头内部需要保持一定的压力才能将材料顺利挤出，挤出后材料丝一般会发生一定程度的膨胀。如果材料收缩率对压力比较敏感，会造成喷头挤出的材料丝直径与喷嘴的名义直径相差太大，影响材料的成型精度。FDM成型材料的收缩率对温度不能太敏感，否则会产生零件翘曲、开裂。由以上材料特性对FDM工艺实施的影响来看，FDM工艺对成型材料的要求是熔融温度低、粘度低、粘结性好、收缩率小。熔融沉积快速成型工艺对原型材料的要求：熔融沉积快速成型工艺对支撑材料的要求：能承受一定高温度由于支撑材料要与成型材料在支撑面上接触，所以支撑材料必须能够承受成型材料的高温，在此温度下不产生分解与融化。与成型材料不浸润，便于后处理支撑材料是加工中采取的辅助手段，在加工完毕后必须去除，所以支撑材料与成型材料的亲和性不应太好。具有水溶性或者酸溶性对于具有很复杂的内腔、孔等原型，为了便于后处理，可通过支撑材料在某种液体里溶解而去支撑。由于现在FDM使用的成型材料一般是ABS工程塑料，该材料一般可以溶解在有机溶剂中，所以不能使用有机溶剂。目前已开发出水溶性支撑材料。具有较低的熔融温度具有较低的熔融温度可以使材料在较低的温度挤出，提高喷头的使用寿命。流动性要好由于支撑材料的成型精度要求不高，为了提高机器的扫描速度，要求支撑材料具有很好的流动性，相对而言，对于粘性可以差一些。FDM工艺对支撑材料的要求是能够承受一定的高温、与成型材料不浸润、具有水溶性或者酸溶性、具有较低的熔融温度、流动性要特别好等。第二节熔融沉积快速成型材料及设备材料适用的设备系统可供选择的颜色备注ABS丙稀腈丁二烯苯乙烯FDM1650，FDM2000，FDM8000，FDMQuantum白黑红绿蓝耐用的无毒塑料ABSi医学专用ABSFDM1650，FDM2000黑白被食品及药物管理局认可的、耐用的且无毒的塑料E20FDM1650，FDM2000所有颜色人造橡胶材料，与封铅、轴衬、水龙带和软管等使用的材料相似ICW06熔模铸造用蜡FDM1650，FDM2000N/AN/A可机加工蜡FDM1650，FDM2000N/AN/A造型材料GenisysModelerN/A高强度聚酯化合物，多为磁带式而不是卷绕式表5-2FDM工艺成型材料的基本信息第二节熔融沉积快速成型材料及设备材料抗拉强度/MPa弯曲强度/MPa冲击韧性/(J/m2)延伸率/%肖氏硬度/D玻璃化温度/℃ABS22411076105104ABSi3761101.43.1108116ABSplus3652964ABS-M3036611396109.5108PC-ABS34.8501234.3110125PC529753.393115161PC-ISO528253.395161PPSF5511058.73386230E206.45.534796ICW063.54.31713GenisysModelingMaterial19.326.93262表5-3FDM工艺成型材料的特性指标第二节熔融沉积快速成型材料及设备供应熔丝沉积制造（FDM）设备工艺的单位主要有美国的Stratasys公司、3DSystems公司、MedModeler公司以及国内的清华大学等。Stratasys公司的FDM技术在国际市场上所占比例最大。2.熔融沉积快速成型制造设备图5-3Stratasys公司于1993年开发出第一台FDM1650机型尺寸：254mm×254mm×254mm图5-4Stratasys公司的FDM-Quantum机型尺寸：600mm×500mm×600mm图5-5Stratasys公司的FDM-GenisysXs机型尺寸：305mm×203mm×203mm第二节熔融沉积快速成型材料及设备由于在几种常用的快速成型设备系统中，唯有FDM系统可以成为办公室使用的产品。为此，Stratasys公司专门成立了负责小型机器销售和研发部门－Dimension部门。图5-6Stratasys公司的DimensionBST768机型尺寸：203mm×203mm×305mm图5-7Stratasys公司的DimensionBST1200机型尺寸：254mm×254mm×305mm第二节熔融沉积快速成型材料及设备3DSystems公司自推出光固化快速成型系统及选择性激光烧结系统后，又推出了熔融沉积式的小型三维成型机Invision3-DModeler系列。该系列机型采用多喷头结构，成型速度快，材料具有多种颜色，采用溶解性支撑，原型稳定性能好，成型过程中无噪声。图5-83DSystems公司的XT3-DModeler机型图5-93DSystems公司的LD3-DModeler机型第二节熔融沉积快速成型材料及设备1熔融沉积快速成型工艺的基本原理和特点2熔融沉积快速成型材料及设备3熔融沉积快速成型工艺过程4熔融沉积快速成型工艺因素分析5气压式熔融沉积快速成型系统第五章熔融沉积快速成型工艺和其他几种快速成型工艺过程类似，熔融沉积快速成型的工艺过程也可以分为前处理、成型及后处理三个阶段。CAD三维建模工艺参数拟定前处理成型后处理第三节熔融沉积快速成型工艺过程1.前处理—CAD数字建模a)2D图纸b)三维造型图5-10海宝笔筒2D图纸与三维造型第三节熔融沉积快速成型工艺过程图5-11切层软件界面第三节熔融沉积快速成型工艺过程1.前处理—载入模型，即导入STL文件（Aurora的使用）图5-12STL文件校验第三节熔融沉积快速成型工艺过程1.前处理—STL文件校验与修复目的：保证无裂缝、空洞，无悬面、重叠面和交叉面表面质量：上表面好于下表面水平面好于垂直面垂直面好于斜面零件强度：水平方向强于垂直方向支撑材料：减小支撑面积降低支撑高度成型时间：越高时间越长针对多个模型：更好地布局以便成型针对单个模型：提高成型质量及效率第三节熔融沉积快速成型工艺过程1.前处理—确定摆放方位(a)表面质量(b)零件强度(c)支撑材料(d)成型时间目的：保证无裂缝、空洞，无悬面、重叠面和交叉面第三节熔融沉积快速成型工艺过程1.前处理—确定分层参数第三节熔融沉积快速成型工艺过程1.前处理—存储分层文件打开快速成型机，连接设备检查工作台上是否有未取下的零件或障碍物系统初始化：X、Y、Z轴归零成型室预热：按下温控、散热按钮调试：检查运动系统及吐丝是否正常对高：将喷头调至与工作台间距0.3mm处打印模型：注意开始时观察支撑粘接情况成型结束，取出模型，清理成型室第三节熔融沉积快速成型工艺过程2.成型—设备操作流程a)处理前b)处理后图5-16海宝笔筒模型第三节熔融沉积快速成型工艺过程3.后处理—(1)去除支撑(2)打磨海宝笔筒产品海宝笔筒图纸成型用时：3小时20分钟第三节熔融沉积快速成型工艺过程1熔融沉积快速成型工艺的基本原理和特点2熔融沉积快速成型材料及设备3熔融沉积快速成型工艺过程4熔融沉积快速成型工艺因素分析5气压式熔融沉积快速成型系统第五章熔融沉积快速成型工艺第四节熔融沉积