演示文稿熔融沉積快速成型

演示文稿熔融沉積快速成型當前第1頁\共有76頁\編于星期二\11點熔融沉積快速成型ppt課件當前第2頁\共有76頁\編于星期二\11點目錄1概念及簡介3FDM成型技術的特點

4FDM成型系統(tǒng)的組成5FDM成型材料

6FDM快速成型技術的支撐27成型過程影響因素分析8氣壓式熔融沉積快速成型系統(tǒng)工藝原理及過程11FDM快速成型機技術優(yōu)勢10熔融沉積快速成型技術應用

9FDM設備簡介當前第3頁\共有76頁\編于星期二\11點一概念及簡介熔融沉積造型(FusedDepositionModeling,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。這一技術又稱為熔化堆積法、熔融擠出成模等。1.1概念當前第4頁\共有76頁\編于星期二\11點1.2簡介絲狀材料選擇性熔覆（FusedDepositionManufacturing，簡稱FDM），又稱熔融沉積造型。FDM快速原型工藝是一種不依靠激光作為成型能源，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固化來構成三維產(chǎn)品，以該工藝制造的產(chǎn)品目前的市場占有率約為6.1％。當前第5頁\共有76頁\編于星期二\11點研究熔融沉積制造(FuesdDepostionModeling簡稱FDM)工藝的主要有Stratasys公司和MedModeler公司。這種技術以美國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機型。當前第6頁\共有76頁\編于星期二\11點FDM-1650當前第7頁\共有76頁\編于星期二\11點引人注目的是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。當前第8頁\共有76頁\編于星期二\11點FDM-Quantum機型當前第9頁\共有76頁\編于星期二\11點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GenisysXs，其成型體積達305mmx203mmx203mm當前第10頁\共有76頁\編于星期二\11點FDM-GenisysXs當前第11頁\共有76頁\編于星期二\11點二工藝原理及過程FDM工藝是利用熱塑性材料的熱熔性、粘結性，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工藝原理當前第12頁\共有76頁\編于星期二\11點FDM制造工藝原理當前第13頁\共有76頁\編于星期二\11點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。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。

當前第14頁\共有76頁\編于星期二\11點仿真動畫當前第15頁\共有76頁\編于星期二\11點2.2工藝過程FDM快速成型的過程包括:設計三維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。快速成型的過程當前第16頁\共有76頁\編于星期二\11點1

設計CAD三維模型設計人員根據(jù)產(chǎn)品的要求，利用計算機輔助設計軟件設計出三維CAD模型。常用的設計軟件有:Pro/Engineering，Solidworks，MDT，AutoCAD，UG等。2三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設計軟件都具有這項功能。3STL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0.025~0.762之間。當前第17頁\共有76頁\編于星期二\11點4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

快速成型的后處理主要是對成型進行表面處理。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構的支撐很難去除，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。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。當前第18頁\共有76頁\編于星期二\11點三

FDM成型技術的特點由于采用了熱融擠壓頭的專利技術，使整個系統(tǒng)構造原理和操作簡單，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，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成型技術的優(yōu)點當前第19頁\共有76頁\編于星期二\11點用蠟成型的零件原型，可以直接用于熔模鑄造?？梢猿尚腿我鈴碗s程度的零件，常用于成型具有很復雜的內腔、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。當前第20頁\共有76頁\編于星期二\11點3.2FDM成型技術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。需要設計與制作支撐結構。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。當前第21頁\共有76頁\編于星期二\11點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SLALOMSLSFDM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、低熔點金屬等當前第22頁\共有76頁\編于星期二\11點當前第23頁\共有76頁\編于星期二\11點四FDM快速成形的系統(tǒng)組成3.1硬件系統(tǒng)硬件系統(tǒng)由機械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。當前第24頁\共有76頁\編于星期二\11點4.1.1機械系統(tǒng)機械系統(tǒng)由運動、噴頭、成形室、材料室、等單元組成，多采用模塊化設計，各個單元相互獨立。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。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X-Y平面運動和高度Z方向的運動。成形室用來把絲狀材料加熱到熔融態(tài)，材料室用來儲存FDM用的材料。當前第25頁\共有76頁\編于星期二\11點4.1.2控制系統(tǒng)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。當前第26頁\共有76頁\編于星期二\11點4.2軟件系統(tǒng)軟件系統(tǒng)由幾何建模和信息處理組成。當前第27頁\共有76頁\編于星期二\11點4.2.1幾何建模幾何建模單元是設計人員借助三維軟件，如Pro/E，UG等，來完成實體模型的構造，并以STL格式輸出模型的幾何信息。當前第28頁\共有76頁\編于星期二\11點4.2.2信息處理

信息處理單元主要完成STL文件處理、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。當前第29頁\共有76頁\編于星期二\11點

如果根據(jù)STL文件判斷出成形過程需要支撐的話，先由計算機設計出支撐結構并生成支撐，然后對STL格式文件分層切片，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。當前第30頁\共有76頁\編于星期二\11點4.3供料系統(tǒng)由馬達驅動橡膠輥子，從而將絲料送入成形噴頭。當前第31頁\共有76頁\編于星期二\11點五

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。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成型材料特點當前第32頁\共有76頁\編于星期二\11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（ABSP400）、甲基丙酸烯-丙烯腈-丁二烯-苯乙烯聚合物細絲（ABSiP500，醫(yī)用）、消失模鑄造蠟絲（ICW06wax）、塑膠絲（ElastomerE20）。當前第33頁\共有76頁\編于星期二\11點六FDM快速成型技術的支撐

設計支撐的原因：FDM成形中，每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，這就需要設計一些輔助結構－“支撐”，以保證成形過程的順利實現(xiàn)。當前第34頁\共有76頁\編于星期二\11點FDM技術提供兩種類型的支撐：1.WaterWorks(水溶性支撐):可以分解于堿性水溶劑的可溶解性支撐結構。2.BreakAwaySupportStructure(BASS)(易剝離性支撐):水溶性支撐的前身，由手工將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，所以可以接近于細小的特征，因而用的更廣泛。當前第35頁\共有76頁\編于星期二\11點七成型過程影響因素分析1.材料性能的影響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.掃描方式的影響當前第36頁\共有76頁\編于星期二\11點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)（AirpressureJetSolidification,AJS）的工作原理如圖示：8.1工作原理當前第37頁\共有76頁\編于星期二\11點氣壓式熔融沉積快速成形系統(tǒng)的工作原理

當前第38頁\共有76頁\編于星期二\11點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。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。當前第39頁\共有76頁\編于星期二\11點AJS系統(tǒng)主要由控制、加熱與冷卻、擠壓、噴頭機構、可升降工作臺及支架機構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?？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。

當前第40頁\共有76頁\編于星期二\11點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）設備成本低3）無污染8.2.1優(yōu)點當前第41頁\共有76頁\編于星期二\11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，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束點的結合處會出現(xiàn)熔接痕，整個零件上會出現(xiàn)接縫當前第42頁\共有76頁\編于星期二\11點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，或對于一些不容易加工成絲材的材料，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，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。當前第43頁\共有76頁\編于星期二\11點2）所選的空氣壓縮機可提供1MPa范圍內任何大小的氣壓，能準確控制使送入加熱室的壓縮氣體壓力恒定（不同材料其壓力設定值可不同）。壓力裝置結構簡單，提供的壓力穩(wěn)定可靠，成本低。當前第44頁\共有76頁\編于星期二\11點3）傳統(tǒng)的FDM有較重的送絲機構為噴頭輸送原料，即用電機驅動一對送進輪來提供推力，送絲機構和噴頭采用推-拉相結合的方式向前運動，作用原理類似于活塞難免會由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，減小了機構的震動提高了成型精度。當前第45頁\共有76頁\編于星期二\11點9.1Stratsys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設備簡介

當前第46頁\共有76頁\編于星期二\11點RP系列：優(yōu)點是運行成本低、塑料材料、設備價格低、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-360FDM快速成型機當前第47頁\共有76頁\編于星期二\11點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、中大型加工尺寸設備價格高、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，不適合高校教學機構。下圖為StratasysFDM200mc.當前第48頁\共有76頁\編于星期二\11點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，不適合高校教學機構。圖為DimensionBST1200ESFDM快速成型機。當前第49頁\共有76頁\編于星期二\11點9.2國內FDM設備國內清華大學研制的融入擠壓沉積成型（MeltedExtrusionModeling,MEM）也有其獨特的特點，MEM機型重于特殊的噴嘴和設備的開發(fā)，成卷軸狀的絲質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。當前第50頁\共有76頁\編于星期二\11點MEM機型當前第51頁\共有76頁\編于星期二\11點

參數(shù)型號研制單位材料加工尺寸/mm精度/mm外形尺寸/mmMEM250清華大學ABS、蠟、尼龍250x250x2500.15FDM1650Stratasys(美國)熱塑性材料、ABS254x254x2540.127FDM2000ABS、蠟254x254x2542057x1524x1448FDM3000ABS、蠟、ABSi、橡膠254x254x4060.127660x1067x914FDM8000ABS457x457x6090.127FDM-QuantumABS600x500x6000.127GenisysXs塑料、蠟305x203x203FDM-MaxumABS600x500x6000.1272235x1981x1118FDM-TITANABS、聚碳酸酯355x406x4061270x876x1981FDM-ProdigyABS、蠟203x203x254FDM-ProdigyPlusABS203x203x3051686x864x410當前第52頁\共有76頁\編于星期二\11點十熔融沉積快速成型技術的應用FDM快速成型技術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。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。當前第53頁\共有76頁\編于星期二\11點10.1FDM在日本豐田公司的應用豐田公司采用FDM工藝制作右側鏡支架和四個門把手的母模，通過快速模具技術制作產(chǎn)品而取代傳統(tǒng)的CNC制模方式，使得2000Avalon車型的制造成本顯著降低，右側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)為豐田公司在轎車制造方面節(jié)省了200萬美元。當前第54頁\共有76頁\編于星期二\11點10.2FDM在美國快速原型制造公司的 應用從事模型制造的美國RapidModels&Prototypes公司采用FDM工藝為生產(chǎn)廠商LaramieToys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工藝制作玩具水槍當前第55頁\共有76頁\編于星期二\11點10.3FDM在Mizunos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個月內就全部完成，縮短了40%的時間。目前，F(xiàn)DM快速原型技術已成為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。當前第56頁\共有76頁\編于星期二\11點10.4FDM在福特公司的應用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。當前第57頁\共有76頁