第二章_快速成型制造工藝--IV

1、第五節(jié)熔融沉積快速成型工藝 熔融沉積快速成型（Fused Deposition Modeling，簡稱FDM）是繼光固化快速成型和疊層實體快速成型工藝后的另一種應用比較廣泛的快速成型工藝。該工藝方法以美國Stratasys公司開發(fā)的FDM制造系統(tǒng)應用最為廣泛。該公司自1993年開發(fā)出第一臺FDM1650機型后，先后推出了FDM2000、FDM3000、FDM8000及1998年推出的引人注目的FDM Quantum機型，F(xiàn)DM Quantum機型的最大造型體積達到600mm500mm600mm。國內(nèi)的清華大學與北京殷華公司也較早地進行了FDM工藝商品化系統(tǒng)的研制工作，并推出熔融擠壓制造設備ME

2、M 250等。 模具工程技術(shù)研究中心 METRC2 快速成型制造工藝快速成型制造工藝模具工程技術(shù)研究中心 METRC一、熔融沉積工藝的基本原理一、熔融沉積工藝的基本原理 熔融沉積又叫熔絲沉積，它是將絲狀的熱熔性材料加熱熔化，通過帶有一個微細噴嘴的噴頭擠噴出來。噴頭可沿著X軸方向移動，而工作臺則沿Y軸方向移動。如果熱熔性材料的溫度始終稍高于固化溫度，而成型部分的溫度稍低于固化溫度，就能保證熱熔性材料擠噴出噴嘴后，隨即與前一層面熔結(jié)在一起。一個層面沉積完成后，工作臺按預定的增量下降一個層的厚度，再繼續(xù)熔噴沉積，直至完成整個實體造型。熔融沉積制造工藝的具體過程如下： 2 快速成型制造工藝快速成型制造

3、工藝模具工程技術(shù)研究中心 METRC將實芯絲材原材料纏繞在供料輥上，由電機驅(qū)動輥子旋轉(zhuǎn)，輥子和絲材之間的摩擦力使絲材向噴頭的出口送進。在供料輥與噴頭之間有一導向套，導向套采用低摩擦材料制成，以便絲材能順利、準確地由供料輥送到噴頭的內(nèi)腔（最大送料速度為1025mm/s，推薦速度為518mm/s）。噴頭的前端有電阻絲式加熱器，在其作用下，絲材被加熱熔融（熔模鑄造蠟絲的熔融溫度為74，機加工蠟絲的熔融溫度為96，聚烯烴樹脂絲為106，聚酰胺絲為155，ABS塑料絲為270），然后通過出口（內(nèi)徑為0.251.32mm，隨材料的種類和送料速度而定），涂覆至工作臺上，并在冷卻后形成界面輪廓。由于受結(jié)構(gòu)的限

4、制，加熱器的功率不可能太大，因此，絲材一般為熔點不太高的熱塑性塑料或蠟。絲材熔融沉積的層厚隨噴頭的運動速度（最高速度為380mm/s）而變化，通常最大層厚為0.150.25mm。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設備采用了雙噴頭雙噴頭。2 快速成型制造工藝快速成型制造工藝模具工程技術(shù)研究中心 METRC一個噴頭用于沉積模型材料，一個噴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

5、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。 2 快速成型制造工藝快速成型制造工藝系統(tǒng)構(gòu)造原理和操作簡單，維護成本低，系統(tǒng)運行安全。 優(yōu)優(yōu) 點點模具工程技術(shù)研究中心 METRC二、熔融沉積工藝的特點二、熔融沉積工藝的特點 可以使用無毒的原材料，設備系統(tǒng)可在辦公環(huán)境中安裝使用。 用蠟成形的零件原型，可以直接用于失蠟鑄造。 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。原材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，且材料壽命長。 支撐去除簡單，無需化學清洗，分離容易。 成型件的表面有較明顯的條紋 。缺缺

6、 點點沿成型軸垂直方向的強度比較弱。 需要設計與制作支撐結(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。2 快速成型制造工藝快速成型制造工藝模具工程技術(shù)研究中心 METRC2 快速成型制造工藝快速成型制造工藝模具工程技術(shù)研究中心 METRC2 快速成型制造工藝快速成型制造工藝模具工程技術(shù)研究中心 METRC三、熔融沉積工藝成形過程影響因素分析三、熔融沉積工藝成形過程影響因素分析 材料性能的影響材料性能的影響 噴頭溫度和成形室溫度的影響噴頭溫度和成形室溫度的影響 擠出速度的影響擠出速度的影響 填充速度與擠出速度交互的影響填充速度與擠出速度交互的影響 分層厚度的影響分層厚度的影

7、響 成形時間的影響成形時間的影響 掃描方式的影響掃描方式的影響 2 快速成型制造工藝快速成型制造工藝模具工程技術(shù)研究中心 METRC四、氣壓式熔融沉積快速成形系統(tǒng)四、氣壓式熔融沉積快速成形系統(tǒng) （一）氣壓式熔融沉積快速成形系統(tǒng)的工作原理（一）氣壓式熔融沉積快速成形系統(tǒng)的工作原理 2 快速成型制造工藝快速成型制造工藝模具工程技術(shù)研究中心 METRC 氣壓式熔融沉積快速成形系統(tǒng)（Air-pressure Jet Solidification，AJS）的工作原理如圖所示：被加熱到一定溫度的低粘性材料(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，涂覆于工作平臺或前

8、一沉積層之上。噴頭按當前層的層面幾何形狀進行掃描堆積，實現(xiàn)逐層沉積凝固。工作臺由計算機系統(tǒng)控制作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

9、原型零件?？刂葡到y(tǒng)能使整個AJS系統(tǒng)實現(xiàn)自動控制，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。 2 快速成型制造工藝快速成型制造工藝模具工程技術(shù)研究中心 METRC（二）氣壓式熔融沉積快速成形系統(tǒng)的特點（二）氣壓式熔融沉積快速成形系統(tǒng)的特點 成型材料廣泛成型材料廣泛 一般的熱塑性材料如塑料、尼龍、橡膠、蠟等，作適當改性后都可用于沉積成形。 設備成本低、體積小設備成本低、體積小熔融沉積成形是靠材料熔融時的粘性粘結(jié)成形，不象SLA、LOM、SLS等工藝靠激光的作用來成形，沒有激光器及其電源和樹脂槽，大大簡化了設備，使成本降低。熔融沉積成形設備運行、維護容易，工作可靠

10、，是桌面化快速成形設備的最佳工藝。 無污染無污染熔融沉積成形所用的材料為無毒、無味的熱塑性材料，并且廢棄的材料還可以回收利用，因此材料對周圍環(huán)境不會造成污染。 2 快速成型制造工藝快速成型制造工藝模具工程技術(shù)研究中心 METRC（三）與傳統(tǒng)（三）與傳統(tǒng)FDM的不同之處的不同之處 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┎灰准庸こ山z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備來制造絲材，工作時只需將熱塑性材料直接倒入噴頭的腔體內(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

11、了一道工序，提高了生產(chǎn)效率。 所選的空氣壓縮機可提供1MPa范圍內(nèi)任何大小的氣壓，能準確控制到使送入加熱室的壓縮氣體壓力恒定(不同材料其壓力設定值可不同)。壓力裝置結(jié)構(gòu)簡單，提供的壓力穩(wěn)定可靠，成本低。 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，難免會有由于送絲滾輪的往復運動致使擠出過程不連續(xù)和因振動較大而產(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)由于沒有了送絲部分而使噴頭變得輕巧，減小了機構(gòu)的振動，提高了成形精度。 2 快速成型制造工藝快速成型制造工藝模具工程技術(shù)研究中心 METR

12、C五、熔融沉積快速成型技術(shù)的應用五、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、玩具等產(chǎn)品的設計開發(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。 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，

13、四個門把手模具成本降低30萬美元。FDM工藝已經(jīng)為豐田公司在轎車制造方面節(jié)省了200萬美元。（1）FDM在日本豐田公司的應用在日本豐田公司的應用2 快速成型制造工藝快速成型制造工藝模具工程技術(shù)研究中心 METRC 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。（2）FDM在美國快速原型制造公司的應用在美國快速原型制造公司的應用 采用

14、FDM工藝制作玩具水槍 2 快速成型制造工藝快速成型制造工藝模具工程技術(shù)研究中心 METRC 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計驗證，一旦設計定型，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

15、的組成部分。（3）FDM在在Mizunos公司的應用公司的應用2 快速成型制造工藝快速成型制造工藝模具工程技術(shù)研究中心 METRC 福特公司常年需要部件的襯板，當部件從一廠到另一廠的運輸過程中，襯板用于支撐、緩沖和防護。襯板的前表面根據(jù)部件的幾何形狀而改變。福特公司一年間要采用一系列的襯板，一般地，每種襯板改型要花費成千萬美元和12周時間制作必需的模具。新襯板的注塑消失模被聯(lián)合公司選作生產(chǎn)部件后，部件的蠟靠模采用FDM制作，制作周期僅3天。其間，必須小心的檢驗蠟靠模的尺寸，測出模具收縮趨向。緊接著從鑄造石蠟模翻出A2鋼模，該處理過程將花費一周時間。模具接著車削外表面，劃上修改線和水平線以便機械

16、加工。 該模具在模具后部設計成中空區(qū)，以減少用鋼量，中空區(qū)填入化學粘結(jié)瓷。僅花5周時間和一半的原來成本，而且制作的模具至少可生產(chǎn)30000套襯板。 采用FDM工藝后，福特汽車公司大大縮短了運輸部件襯板的制作周期，并顯著降低了制作成本。 （4）FDM在福特公司的應用在福特公司的應用2 快速成型制造工藝快速成型制造工藝模具工程技術(shù)研究中心 METRC 韓國現(xiàn)代汽車公司采用了美國Stratasys公司的FDM快速原型系統(tǒng)，用于檢驗設計、空氣動力評估和功能測試。FDM系統(tǒng)在啟亞的Spectra車型設計上得到了成功的應用，現(xiàn)代汽車公司自動技術(shù)部的首席工程師Tae Sun Byun說：空間的精確和穩(wěn)定對設

17、計檢驗來說是至關(guān)重要的，采用ABS工程塑料的FDM Maxum系統(tǒng)滿足了兩者的要求，在1382mm的長度上，其最大誤差只有0.75mm。 現(xiàn)代公司計劃再安裝第二套RP快速原型系統(tǒng)，并仍將選擇FDM Maxum，Tae Sun Byun說：“該系統(tǒng)完美地符合我們的設計要求，并能在30個月內(nèi)收回成本?！保?）FDM在韓國現(xiàn)代公司的應用在韓國現(xiàn)代公司的應用 現(xiàn)代汽車公司采用FDM工藝制作的某車型的儀表盤 2 快速成型制造工藝快速成型制造工藝模具工程技術(shù)研究中心 METRC 實際上，F(xiàn)DM工藝的應用除了上述提及的在汽車領(lǐng)域的應用外，在其他領(lǐng)域的應用也是十分廣泛的，下圖給出了采用FDM工藝制作的多種原型

18、。 2 快速成型制造工藝快速成型制造工藝模具工程技術(shù)研究中心 METRC模具工程技術(shù)研究中心 METRC模具工程技術(shù)研究中心 METRC模具工程技術(shù)研究中心 METRC模具工程技術(shù)研究中心 METRC模具工程技術(shù)研究中心 METRC模具工程技術(shù)研究中心 METRC模具工程技術(shù)研究中心 METRC模具工程技術(shù)研究中心 METRC模具工程技術(shù)研究中心 METRC模具工程技術(shù)研究中心 METRC模具工程技術(shù)研究中心 METRC模具工程技術(shù)研究中心 METRC模具工程技術(shù)研究中心 METRC模具工程技術(shù)研究中心 METRC模具工程技術(shù)研究中心 METRC模具工程技術(shù)研究中心 METRC模具工程技術(shù)研究中心 METRC模具工程技術(shù)研究中心 METRC模具工程技術(shù)研究中心 METRC模具工程技術(shù)研究中心 METRC模具工程技術(shù)研究中心 METRC模具工程技術(shù)研究中心 METRC模具工程技術(shù)研究中心 METRC模具工程技術(shù)研究