熔融沉積快速成型

1、熔融沉積快速成型熔融沉積快速成型 學生：辛 何 目錄目錄 一 概念及簡介 熔融沉積造型(Fused Deposition Modeling,FDM)采用熱熔噴頭，使半流 動狀態(tài)的材料按CAD分層數(shù)據(jù)控制的路 徑擠壓并沉積在指定的位置凝固成型， 逐層沉積、凝固后形成整個原型或零件。 這一技術(shù)又稱為熔化堆積法、熔融擠出 成模等。 1.1概念 1.2 簡介 絲狀材料選擇性熔覆（絲狀材料選擇性熔覆（Fused Deposition Manufacturing，簡稱，簡稱 FDM），又稱熔融沉積造型。），又稱熔融沉積造型。 FDM快速原型工藝是一種不依靠激光作快速原型工藝是一種不依靠激光作 為成型能源，

2、而將各種絲材加熱熔化的為成型能源，而將各種絲材加熱熔化的 成型方法。此工藝通過熔融絲料的逐層成型方法。此工藝通過熔融絲料的逐層 固化來構(gòu)成三維產(chǎn)品，以該工藝制造的固化來構(gòu)成三維產(chǎn)品，以該工藝制造的 產(chǎn)品目前的市場占有率約為產(chǎn)品目前的市場占有率約為6.1。 研究熔融沉積制造(Fuesd Depostion Modeling 簡稱FDM)工藝的主要有 Stratasys公司和Med Modeler公司。 這種技術(shù)以美國Stratasys公司開發(fā) 的產(chǎn)品制造系統(tǒng)應用FDM-1650(臺面 為250mmx250mmx250mm)機型后，先后 推出FDM-2000、FDM-3000和FDM-8000 機

3、型。 FDM-1650 引人注目的是1998年Stratasys公司推出 的FDM-Quantum機型，最大成型體積為 600mmx500mmx600mm。由于采用擠 出頭磁浮地位系統(tǒng)，可在同一時間控制 兩個擠出頭，因此其造型速度為過去的5 倍。 FDM-Quantum機型 Stratasys公司1998年與MedModeler公 司合作開發(fā)了專用于醫(yī)院和醫(yī)學研究單 位的MedModeler機型，使用ABS材料， 并于1999年推出可使用聚酯熱塑性塑料 的Genisys型改進機型Genisys Xs，其 成型體積達305mmx203mmx203mm FDM-Genisys Xs 二 工藝原理及

4、過程 FDM工藝是利用熱塑性材料的熱熔性、粘結(jié)性，在計算 機控制下層層堆積成形。如圖2所示，加熱噴頭在計算 機的控制下，可根據(jù)截面輪廓的信息，作X-Y平面運動 和高度Z方向的運動。絲狀熱塑性材料由供絲機構(gòu)送至 噴頭，并在噴頭中加熱至熔融態(tài)，然后被選擇性地涂 覆在工作臺上，快速冷卻后形成截面輪廓。一層截面 完成后，噴頭上升一截面層的高度，再進行下一層的 涂覆。如此循環(huán)，最終形成三維產(chǎn)品。 2.1 工藝原理 FDM FDM制造工藝原理制造工藝原理 熔融沉積快速成型工藝在原型制作時需要同時制作支撐，為了節(jié)省材 料成本和提高沉積效率，新型FDM設(shè)備采用了雙噴頭雙噴頭。 一個噴頭用于沉積模型材料，一個噴

5、頭用于沉積支撐材料。一般來說， 模型材料絲精細而且成本較高，沉積的效率也較低。而支撐材料絲較 粗且成本較低，沉積的效率也較高。雙噴頭的優(yōu)點除了沉積過程中具 有較高的沉積效率和降低模型制作成本以外，還可以靈活地選擇具有 特殊性能的支撐材料，以便于后處理過程中支撐材料的去除，如水溶 材料、低于模型材料熔點的熱熔材料等。 仿真動畫 2.2工藝過程 FDM快速成型的過程包括: 設(shè)計三維CAD模型、CAD 模型的近似處理、對STL 文件進行分層處理、造 型、后處理。如圖所示。 快速成型的過程 1 設(shè)計設(shè)計CADCAD三維模型三維模型 設(shè)計人員根據(jù)產(chǎn)品的要求，利用計算機輔助設(shè)計軟件設(shè)計出三 維CAD模型。

6、常用的設(shè)計軟件有:Pro/Engineering，Solidworks， MDT，AutoCAD，UG等。 2 三維模型的近似處理三維模型的近似處理 用一系列相連的小三角平面來逼近曲面，得到STL格式的三維近 似模型文件。許多常用的CAD設(shè)計軟件都具有這項功能。 3 STLSTL文件的分層處理文件的分層處理 由于快速成型是將模型按照一層層截面加工，累加而成的。所 以必須將STL格式的三維CAD模型轉(zhuǎn)化為快速成型制造系統(tǒng)可接受 的層片模型。片層的厚度范圍通常在0.0250.762之間。 4 造型造型 產(chǎn)品的造型包括兩個方面:支撐制作和實體制作。 5 后處理后處理 快速成型的后處理主要是對成型進行

7、表面處理。去 除實體的支撐部分，對部分實體表面進行處理，使成 型精度、表面粗糙度等達到要求。但是，成型的部分 復雜和細微結(jié)構(gòu)的支撐很難去除，在處理過程中會出 現(xiàn)損壞成型表面的情況，從而影響成型的表面品質(zhì)。 于是，1999年STratasys公司開發(fā)出水溶性支撐材料， 有效的解決了這個難題。目前，我國自行研發(fā)FDM工藝 還無法做到這一點，成型的后處理仍然是一個較為復 雜的過程。 三 FDM成型技術(shù)的特點 由于采用了熱融擠壓頭的專利技術(shù)，使 整個系統(tǒng)構(gòu)造原理和操作簡單，維護成 本低，系統(tǒng)運行安全?？梢允褂脽o毒的 原材料，設(shè)備系統(tǒng)可在辦公環(huán)境中安裝 使用。 成型速度快。用熔融沉積方法生產(chǎn)出來 的產(chǎn)品

8、，不需要 SLA 中的刮板再加工這 一道工序。系統(tǒng)校準為自動控制。 3.1FDM成型技術(shù)的優(yōu)點 用蠟成型的零件原型，可以直接用于熔 模鑄造。 可以成型任意復雜程度的零件，常用于 成型具有很復雜的內(nèi)腔、孔等零件。 原村料在成型過程中無化學變化，制件 的翹曲變形小。 原材料利用率高，且材料壽俞長。 支撐去除簡單無需化學清洗，分離容 易。 3.2FDM成型技術(shù)的缺點 成型件的表面有較明顯的條紋。 沿成型軸垂直方向的強度比較弱。 需要設(shè)計與制作支撐結(jié)構(gòu)。 需要對整個截面進行掃描涂覆，成型時 間較長。 原材料價格昂貴。 FDM工藝選用材料與其他幾種快速原型工 藝選用材料的比較 指標指標SLALOMSLS

9、FDM 成型速度較快快較慢較慢 原型精度高較高較低較低 制造成本較高低較低較低 復雜程度復雜簡單復雜中等 零件大小中小件中大件中小件中小件 常用材料 熱固性光敏 樹脂等 紙、金屬箔、 塑料薄膜等 石蠟、塑料、 金屬、陶瓷等 粉末 石蠟、尼龍、 ABS、低熔 點金屬等 四 FDM快速成形的系統(tǒng)組成 3.1 硬件系統(tǒng)硬件系統(tǒng) 硬件系統(tǒng)由機械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。硬件系統(tǒng)由機械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。 4.1.1 機械系統(tǒng) 機械系統(tǒng)由運動、噴頭、成形室、材料室、等機械系統(tǒng)由運動、噴頭、成形室、材料室、等 單元組成，多采用模塊化設(shè)計，各個單元相互單元組成，多采用模塊化設(shè)計，各個單元相互 獨立。獨立。 運動單

10、元只完成掃描和噴頭的升降動作，且運動單元只完成掃描和噴頭的升降動作，且 運動單元的精度決定了整機的運動精度。運動單元的精度決定了整機的運動精度。 加熱噴頭在計算機的控制下，根據(jù)產(chǎn)品零件加熱噴頭在計算機的控制下，根據(jù)產(chǎn)品零件 的截面輪廓信息，作的截面輪廓信息，作X-Y平面運動和高度平面運動和高度Z方向方向 的運動。的運動。 成形室用來把絲狀材料加熱到熔融態(tài)，材料成形室用來把絲狀材料加熱到熔融態(tài)，材料 室用來儲存室用來儲存FDM用的材料。用的材料。 4.1.2 控制系統(tǒng)控制系統(tǒng) 由控制柜與電源柜組成，用來控制噴頭由控制柜與電源柜組成，用來控制噴頭 的運動以及成形室的溫度。的運動以及成形室的溫度。

11、4.2 軟件系統(tǒng) 軟件系統(tǒng)由幾何建模和信息處理組成。軟件系統(tǒng)由幾何建模和信息處理組成。 4.2.1 4.2.1 幾何建模幾何建模 幾何建模單元是設(shè)計人員借助三維軟幾何建模單元是設(shè)計人員借助三維軟 件，如件，如Pro/E，UG等，來完成實體模型等，來完成實體模型 的構(gòu)造，并以的構(gòu)造，并以STL格式輸出模型的幾何格式輸出模型的幾何 信息。信息。 4.2.2 信息處理信息處理 信息處理單元主要完成信息處理單元主要完成STL文件處文件處 理、截面層文件生成、填充計算，數(shù)控理、截面層文件生成、填充計算，數(shù)控 代碼生成和對成形系統(tǒng)的控制。代碼生成和對成形系統(tǒng)的控制。 如果根據(jù)如果根據(jù)STL文件判斷出成形過

12、程需要文件判斷出成形過程需要 支撐的話，先由計算機設(shè)計出支撐結(jié)構(gòu)支撐的話，先由計算機設(shè)計出支撐結(jié)構(gòu) 并生成支撐，然后對并生成支撐，然后對STL格式文件分層格式文件分層 切片，最后根據(jù)每一層的填充路徑，將切片，最后根據(jù)每一層的填充路徑，將 信息輸給成形系統(tǒng)完成模型的成形。信息輸給成形系統(tǒng)完成模型的成形。 4.3 供料系統(tǒng) 由馬達驅(qū)動橡膠輥子，從而將絲料送入由馬達驅(qū)動橡膠輥子，從而將絲料送入 成形噴頭。成形噴頭。 五 FDM的成型材料 FDM工藝對成形材料的要求是熔融溫度低、 粘度低、粘結(jié)性好、收縮率小。影響材 料擠出過程的主要因素是粘度。材料的 粘度低、流動性好，阻力就小，有助于 材料順利的擠出

13、。材料的流動性差，需 要很大的送絲壓力才能擠出，會增加噴 頭的啟停響應時間，從而影響成形精度。 5.1 成型材料特點 5.2 主要材料 主要為絲狀熱塑性材料，常用的有石蠟、 塑料、尼龍絲等低熔點材料和低熔點金屬、 陶瓷等的線材或絲材。在熔絲線材方面， 主要材料是ABS、人造橡膠、鑄蠟和聚酯 熱塑性塑料。 目前用于FDM的材料主要是美國Stratasys 公司的丙烯腈-丁二烯-苯乙烯聚合物細絲 （ABS P400）、甲基丙酸烯-丙烯腈-丁二 烯-苯乙烯聚合物細絲（ABSi P500，醫(yī) 用）、消失模鑄造蠟絲（ICW06 wax）、 塑膠絲（Elastomer E20）。 六 FDM快速成型技術(shù)的

14、支撐 設(shè)計支撐的原因：設(shè)計支撐的原因：FDM成形中，每一成形中，每一 個層片都是在上一層上堆積而成，上一個層片都是在上一層上堆積而成，上一 層對當前層起到定位和支撐的作用。隨層對當前層起到定位和支撐的作用。隨 著高度的增加，層片輪廓的面積和形狀著高度的增加，層片輪廓的面積和形狀 都會發(fā)生變化，當形狀發(fā)生較大的變化都會發(fā)生變化，當形狀發(fā)生較大的變化 時，上層輪廓就不能給當前層提供充分時，上層輪廓就不能給當前層提供充分 的定位和支撐作用，這就需要設(shè)計一些的定位和支撐作用，這就需要設(shè)計一些 輔助結(jié)構(gòu)輔助結(jié)構(gòu)“支撐支撐”，以保證成形過程，以保證成形過程 的順利實現(xiàn)。的順利實現(xiàn)。 FDM技術(shù)提供兩種類型

15、的支撐：技術(shù)提供兩種類型的支撐： 1. WaterWorks(水溶性支撐水溶性支撐): 可以分解于堿性可以分解于堿性 水溶劑的可溶解性支撐結(jié)構(gòu)。水溶劑的可溶解性支撐結(jié)構(gòu)。 2.Break Away Support Structure (BASS) (易剝離性支撐易剝離性支撐): 水溶性支撐的前身，由手工將水溶性支撐的前身，由手工將 支撐從工件表面剝離以移除。支撐從工件表面剝離以移除。 水溶性支撐因為可以不用考慮機械式的移除，水溶性支撐因為可以不用考慮機械式的移除， 所以可以接近于細小的特征，因而用的更廣泛。所以可以接近于細小的特征，因而用的更廣泛。 七 成型過程影響因素分析 1.材料性能的影響

16、 2.噴頭溫度和成型室溫度的影響 3.擠出速度的影響 4.填充速度與擠出速度交互的影響 5.分層厚度的影響 6.成型時間的影響 7.掃描方式的影響 八 氣壓式熔融沉積快速成型系統(tǒng) 氣壓式熔融沉積快速成型系統(tǒng) （Airpressure Jet Solidification,AJS）的 工作原理如圖示： 8.1 工作原理 氣壓式熔融沉積快速成形系統(tǒng)的工作原理氣壓式熔融沉積快速成形系統(tǒng)的工作原理 被加熱到一定溫度的低黏性材料（該材 料可由不同相組成，如粉末-粘結(jié)劑的混 合物），通過空氣壓縮機提供的壓力由 噴頭擠出，涂覆在工作平臺或前一沉積 層之上。噴頭按當前層面幾何形狀進行 掃描堆積，實現(xiàn)逐層凝固。

17、工作臺由計 算機系統(tǒng)控制X,Y,Z三維運動，可逐層制 造三維實體和直接制造空間曲面。 AJS系統(tǒng)主要由控制、加熱與冷卻、擠壓、噴頭 機構(gòu)、可升降工作臺及支架機構(gòu)6部分組成。其 中控制用計算機配置有CAD模型切片軟件和加支 撐軟件，對三維模型進行切片和診斷，并在零 件的高度方向，模擬顯示出每隔一定時間的一 系列橫截面的輪廓，加支撐軟件對零件進行自 動加支撐處理。數(shù)據(jù)處理完畢后，混合均勻的 材料按一定比例人工送入加熱室。加熱室由電 阻絲加熱，經(jīng)熱電阻測溫并由溫度控制器使其 溫度恒定，使材料處于良好的熔融擠壓狀態(tài)， 后經(jīng)壓力傳感器測壓后進行擠壓，制造原型零 件。控制系統(tǒng)能使整個AJS系統(tǒng)實現(xiàn)自動控制

18、， 其中包括氣路的通斷、噴頭的噴射速度以及噴 射量與原型零件整體制造速度的匹配等。 8.2 氣壓式熔融沉積快速成型系統(tǒng)特點 1）成型材料廣泛 2）設(shè)備成本低 3）無污染 8.2.1 優(yōu)點 8.2.2缺點 1）由于噴嘴孔徑較小，對于成型材料的粘 度、包含雜質(zhì)的顆粒度等的要求都很嚴格 2）由于可成型零件的最小圓角取決于出絲 直徑和控制技術(shù)，成型時不能成型很尖銳 的拐點，成型過程中，在每一層的開始與 結(jié)束點的結(jié)合處會出現(xiàn)熔接痕，整個零件 上會出現(xiàn)接縫 8.2.3 對傳統(tǒng)FDM不同之處 1）FDM工藝一般采用低熔點絲狀材料， 如蠟絲或ABS塑料絲，如果采用高熔點 的熱塑性復合材料，或?qū)τ谝恍┎蝗菀?加

19、工成絲材的材料，如EVA材料等，就 會相當困難。該系統(tǒng)無需再采用專門的 擠壓成絲設(shè)備來制造絲材，工作時只需 要將塑性材料倒入噴頭的腔體內(nèi)，依靠 加熱裝置將其加熱到熔融擠壓狀態(tài)，不 但避免了必須采用絲材材料這一限制， 而且節(jié)省了一道工序，提高了生產(chǎn)效率。 2）所選的空氣壓縮機可提供1MPa范圍 內(nèi)任何大小的氣壓，能準確控制使送入 加熱室的壓縮氣體壓力恒定（不同材料 其壓力設(shè)定值可不同）。壓力裝置結(jié)構(gòu) 簡單，提供的壓力穩(wěn)定可靠，成本低。 3）傳統(tǒng)的FDM有較重的送絲機構(gòu)為噴頭 輸送原料，即用電機驅(qū)動一對送進輪來提 供推力，送絲機構(gòu)和噴頭采用推-拉相結(jié)合 的方式向前運動，作用原理類似于活塞難 免會由

20、于送絲滾輪的往復運動致使擠出過 程不連續(xù)和因震動較大而產(chǎn)生的運動慣性 對噴頭定位精度的影響。改進后的AJS系 統(tǒng)由于沒有了運絲部分而使噴頭變的輕巧， 減小了機構(gòu)的震動提高了成型精度。 9.1 Stratsys公司FDM成型機分為3個系列 RP系列 Stratsys系列 Dimension系列的特點 九 FDM設(shè)備簡介 RP系列：優(yōu)點是運行成本低、塑料材料、 設(shè)備價格低、配套模擬軟件及教學培訓軟 件；缺點是做精細工件能力弱；適用于企 業(yè)用戶、特別適用于高校科研和教學。下 圖為RP-360 FDM快速成型機 Stratsys系列：優(yōu)點是塑料材料、材料抗 沖擊性好；缺點是運行成本非常高、中大 型加工

21、尺寸設(shè)備價格高、做精細工件能力 弱；適用于企業(yè)用戶及科研要求的高校研 究機構(gòu)，不適合高校教學機構(gòu)。下圖為 Stratasys FDM 200mc. Dimension系列的特點：優(yōu)點是塑料材 料、材料抗沖擊性好；缺點是運行成本非 常高、中大型加工尺寸設(shè)備價格高、做精 細工件能力弱；適用于企業(yè)用戶及科研要 求的高校研究機構(gòu)，不適合高校教學機構(gòu) 。圖為Dimension BST 1200ES FDM 快速成型機。 9.2 國內(nèi)FDM設(shè)備 國內(nèi)清華大學研制的融入擠壓沉積成型 （Melted Extrusion Modeling,MEM）也 有其獨特的特點，MEM機型重于特殊的 噴嘴和設(shè)備的開發(fā)，成卷

22、軸狀的絲質(zhì)原 材料是通過加熱噴頭擠出，原型在一個 垂直上下游動的底座上逐層制造。 MEM機型 參數(shù)參數(shù) 型號型號 研制研制 單位單位 材料材料加工尺寸加工尺寸/mm 精度精度 /mm 外形尺寸外形尺寸/mm MEM250 清華 大學 ABS、蠟、尼 龍 250 x250 x2500.15 FDM1650 Strata sys (美國) 熱塑性材料、 ABS 254x254x2540.127 FDM2000ABS、蠟254x254x2542057x1524x1448 FDM3000 ABS、蠟、 ABSi、橡膠 254x254x4060.127660 x1067x914 FDM8000ABS45

23、7x457x6090.127 FDM-QuantumABS600 x500 x6000.127 Genisys Xs塑料、蠟305x203x203 FDM-MaxumABS600 x500 x600 0.127 2235x1981x1118 FDM-TITAN ABS、聚碳酸 酯 355x406x4061270 x876x1981 FDM-ProdigyABS、蠟203x203x254 FDM-Prodigy Plus ABS203x203x3051686x864x410 十 熔融沉積快速成型技術(shù)的應用 FDM快速成型技術(shù)已被廣泛應用于汽車、機械、 航空航天、家電、通訊、電子、建筑、醫(yī)學、 玩

24、具等產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)過程，如產(chǎn)品外觀評估、 方案選擇、裝配檢查、功能測試、用戶看樣訂 貨、塑料件開模前校驗設(shè)計以及少量產(chǎn)品制造 等，也應用于政府、大學及研究所等機構(gòu)。用 傳統(tǒng)方法須幾個星期、幾個月才能制造的復雜 產(chǎn)品原型，用FDM成型法無需任何刀具和模具， 瞬間便可完成。 10.1 FDM10.1 FDM在日本豐田公司的應用在日本豐田公司的應用 豐田公司采用FDM工藝制作右側(cè)鏡支架和四個門把手的母模，通過 快速模具技術(shù)制作產(chǎn)品而取代傳統(tǒng)的CNC制模方式，使得2000 Avalon車型的制造成本顯著降低，右側(cè)鏡支架模具成本降低20萬美 元，四個門把手模具成本降低30萬美元。FDM工藝已經(jīng)為豐田公司

25、 在轎車制造方面節(jié)省了200萬美元。 10.2 FDM10.2 FDM在美國快速原型制造公司的在美國快速原型制造公司的 應用應用 從事模型制造的美國Rapid Models & Prototypes公司采用FDM工藝為 生產(chǎn)廠商Laramie Toys制作了玩具水槍模型，如圖所示。借助FDM工 藝制作該玩具水槍模型，通過將多個零件一體制作，減少了傳統(tǒng)制作 方式制作模型的部件數(shù)量，避免了焊接與螺紋連接等組裝環(huán)節(jié)，顯著 提高了模型制作的效率。 采用FDM工藝制作玩具水槍 10.3 FDM10.3 FDM在在MizunosMizunos公司的應用公司的應用 Mizuno是世界上最大的綜合性體育用品制造公司。1997年1月， Mizuno美國公司開發(fā)一套新的高爾夫球桿，通常需要13個月的時間。 FDM的應用大大縮短了這個過程，設(shè)計出的新高爾夫球頭用FDM制 作后，可以迅速地得到反饋意見并進行修改，大大加快了造型階段的 設(shè)計驗證，一旦設(shè)計定型，F(xiàn)DM最后制造出的ABS原型就可以作為 加工基準在CNC機床上進行鋼制母模的加工。新的高爾夫球桿整個 開發(fā)周期在7個月內(nèi)就全部完成，縮短了40%的時間。目前，F(xiàn)DM快 速原型技術(shù)已成為Mizuno美國公司在產(chǎn)品開發(fā)過程中起決定性作用 的組成部分。 10.4 FDM10.4 FDM在福特公司的應用在福特公司的應用 福特公司常年需要部件的襯板，當部