3D打印技術(shù) 3D打印技術(shù) 6、FDM打印技術(shù)

3D打印技術(shù)劉雅綺FDM是“Fused

DepositionModeling”的縮寫，即熔積成型法，是一種將各種絲材（如工程塑料

ABS、聚碳酸酯PC等）加熱熔化進(jìn)而堆積成型方法。一、概述FDM工作原理是：加熱噴頭在計算機(jī)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(yùn)動，

熱塑性絲狀材料由供絲機(jī)構(gòu)送至熱熔噴頭，在噴頭中加熱和熔化成半液態(tài)，然后被擠壓出來，有選擇性的涂覆在工作臺上，快速冷卻后形成一層大約

0.127mm厚的薄片輪廓。一層截面成型完成后工作

臺下降一定高度，再進(jìn)行下一層的熔覆，好像一層層"畫出"截面輪廓，如此循環(huán)，最終形成三維產(chǎn)品零件。這種技術(shù)不用激光，使用、維護(hù)簡單，成本低。用ABS制造的原型因具有較高強(qiáng)度，

在產(chǎn)品設(shè)計、測試與評估等方面得到廣泛應(yīng)用。近年來又開發(fā)出PC，PC/ABS，PPSF等更高強(qiáng)度的成形材料，使得該技術(shù)有可能直接制造功能性零件。由于這種技術(shù)具有一些顯著優(yōu)點(diǎn)，該技術(shù)發(fā)展極為迅速，目前FDM系統(tǒng)在全球已安裝快速成形系統(tǒng)中的份額大約為30％。FDM技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)、沒有易損件，維護(hù)簡單，運(yùn)行成本和維護(hù)成本低。、塑料絲材，容易清潔，更換，保存：與其他使用粉末和液態(tài)材料的技術(shù)相比，絲材更加清潔，易于更換、保存，不會在設(shè)備中或附近形成粉末或液體污染。、后處理簡單：僅需要幾分鐘到一刻鐘的時間剝離支撐，原型即可使用。而現(xiàn)在應(yīng)用較多的SLA，SLS，3DP等技術(shù)均存在清理殘余液體和粉末的步驟，并且需要進(jìn)行后固化處理，需要額外的輔助設(shè)備。這些額外的后處理工序一是容易造成粉末或液體污染，二是增加了幾個小時的時間。、成型速度較快：FDM技術(shù)可通過減小原型密實(shí)

程度的方法提高成型速度。通過試驗(yàn)，具有某些結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的模型，最高成型速度已經(jīng)可以達(dá)到60立方厘米/小時。通過軟件優(yōu)化及技術(shù)進(jìn)步，預(yù)計可以達(dá)到200立方厘米/小時的高速度。、材料性能好，一直是FDM技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)：其

ABS原型強(qiáng)度可以達(dá)到注塑零件的三分之一，近年來又發(fā)展出PC，PC/ABS，PPSF等材料，強(qiáng)度已經(jīng)接近或超過普通注

塑零件，可在某些特定場合（試用，維修，暫時替換等）下直接使用。在塑料零件領(lǐng)域，F(xiàn)DM技術(shù)是一種非常適宜的快速制造方式。1、原型的表面有較明顯的條紋，成型精度相對較低，最高精度0.127mm。2、沿著成型軸垂直方向的強(qiáng)度比較強(qiáng)。3、需要設(shè)計和制作支撐結(jié)構(gòu)。4、需要對整個截面進(jìn)行掃描涂覆，成型時間較長，成型速度相對SLA慢7%左右。5、原材料價格昂貴。FDM技術(shù)的缺點(diǎn)二、機(jī)械結(jié)構(gòu)三、工藝參數(shù)控制和精度。四、產(chǎn)品發(fā)展及技術(shù)研究現(xiàn)狀五、打印材料熔融沉積快速成型技術(shù)的主要原材料為塑料。塑料在人們的印象中并不是一種強(qiáng)度很高的材料，但人們身處在一個充滿可能性的世界中，塑料的強(qiáng)度也可以變得很高。例如，美國的Impossible

Objects將碳纖維、芳綸和玻璃纖維等用于3D打印零部件，比傳統(tǒng)熱塑性材料3D打印出來的部件強(qiáng)度要高2~10倍。德國的Igus公司生產(chǎn)的高性能塑料（也被稱作

“運(yùn)動塑料”）可以制造具有自潤滑、耐腐蝕的軸承生產(chǎn)出耐摩擦、耐腐蝕的傳動螺母和齒輪。桌面級3D打印機(jī)大多數(shù)使用的打印耗材為ABS

或PLA，打印耗材成本較高。然而，德國著名的注

塑機(jī)生產(chǎn)廠商Arburg

Freeformer生產(chǎn)的基于FDM技

術(shù)的3D打印機(jī)有一個獨(dú)特之處便是對打印耗材“不挑剔”，材料無須特殊的加工，也無須使用那些昂貴的材料，可以像注塑機(jī)那樣使用塑料顆粒。同時，普通的3D打印愛好者也可以通過桌面級塑料擠出機(jī)，利用塑料粉末和其他材料創(chuàng)造出新穎而廉價的打印耗材。Iguldur公司利用Arburg

Freeformer的3D打印機(jī)已經(jīng)成功打印了軸承、齒輪、傳動和驅(qū)動絲螺母滑塊。此外，美國的Mini

Metal

Maker公司設(shè)計的3D打印機(jī)采用FDM技術(shù)，以金屬黏土作為打印材料，當(dāng)3D對

象被打印出來后，再進(jìn)入陶瓷窯中進(jìn)行高溫干燥處理，高溫?zé)チ损ね林械幕衔锍煞?，只留下金屬部分，使其融合在一起而成為一個實(shí)體。六、應(yīng)用方向作為一種全新的制造技術(shù)，快速成型能夠迅速將設(shè)計思想轉(zhuǎn)化成新產(chǎn)品，一經(jīng)問世便得到了廣泛的應(yīng)用，涉及的行業(yè)包括建筑、汽車、教育科研、醫(yī)療、航空、消費(fèi)品、工業(yè)等。近年來，F(xiàn)DM工藝發(fā)展極為迅速，目前已占全球RP總份額的30%左右。

FDM主要的應(yīng)用可以歸納為以下兩個方面：設(shè)計驗(yàn)證和模具制造。1、設(shè)計驗(yàn)證現(xiàn)代產(chǎn)品的設(shè)計與制造大多是在基于CAD/CAM技術(shù)上的數(shù)控加工，顯著提高了產(chǎn)品開發(fā)的效率與質(zhì)量，但產(chǎn)品的CAD設(shè)計模型總是不能在CAM輔助制造之前盡善盡美。利用快速成型技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品模型制造是三維立體模型實(shí)現(xiàn)的最直接方式，它提高了設(shè)計速度和信息反饋速度，使設(shè)計者能及時對產(chǎn)品的設(shè)計思路、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)以及產(chǎn)品外觀進(jìn)行修正。針對產(chǎn)品中重要的零部件，在進(jìn)行批量生產(chǎn)前，為降低一定的生產(chǎn)風(fēng)險，往往需要進(jìn)行手板的驗(yàn)證，對于形狀復(fù)雜，曲面眾多的部件，傳統(tǒng)手板加工方法往往很難加工，利用RP技術(shù)可以快速方便地制造出實(shí)體，縮短新產(chǎn)品設(shè)計周期，降低生產(chǎn)成本以及生產(chǎn)風(fēng)險。Mixuno是世界上最大的綜合性體育用品制造公司。1997年1月，Mizuno美國公司準(zhǔn)備開始一套新的高爾夫球桿，這通常需要13個月的時間。FDM的應(yīng)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(jìn)行修改，大大加快了造型階段的設(shè)計驗(yàn)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(zhǔn)在CNC機(jī)床上進(jìn)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。現(xiàn)在，F(xiàn)DM快速成型技術(shù)已成

為Mixuno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。2、模具制造RP技術(shù)在典型的鑄造工藝中為單件小批量鑄造立品的制造帶來了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。在失蠟鑄造中，快速成型技術(shù)為精密消失型的制作提供了更快速、精度更高、結(jié)構(gòu)更復(fù)雜的保障，并且降低了成本，縮短周期。FDM在快速經(jīng)濟(jì)制模領(lǐng)域中可用間接法得到注塑模和鑄造模。首先用FDM制造母模，然后澆注硅橡膠、環(huán)氧樹脂、聚氨酯等材料或低熔點(diǎn)合金材料，固化后取出母模即可得到軟性的注塑或低熔點(diǎn)合金鑄造模。這種模具的壽命通常只有數(shù)件至數(shù)百件。如果利用母?；蜻@種模具澆注石膏、陶瓷、金屬構(gòu)成硬模具，其壽命可達(dá)數(shù)千件。用鑄造石蠟為原料，可直接得到用于熔模鑄造的母模。成型精度是快速成型技術(shù)中的關(guān)鍵問題，也是快速成型技術(shù)發(fā)展的一個瓶頸?？焖俪尚图夹g(shù)由數(shù)據(jù)處理、成型過程和后處理三部分組成，所以可以推斷快速成型誤差由原理性誤差、成型過程產(chǎn)生的誤差和后處理產(chǎn)生的誤差組成。目前快速成型技術(shù)領(lǐng)域存在以下主要問題：（1）材料方面的問題。RP成型方法的核心是材料堆積過程，材料的成型性能一般不在理想，大多數(shù)堆積過程伴隨有材料的相變和溫度的不穩(wěn)定，殘余應(yīng)用難于消除，致使成型件不能滿足要求，要借助于后處理才能達(dá)到產(chǎn)品要求。六、主要問題與發(fā)展方向（2）成型精度與速度方面的問題RP在數(shù)據(jù)處理和工藝過程中實(shí)際上是對材料的單元化，由于分層厚度不可能無限小，這就使成型件本身具有臺階效應(yīng)。工藝要求對材料逐層處理，而在堆積過程中伴隨有物理和化學(xué)的變化，使得實(shí)際成型效率偏低。就目前快速成型技術(shù)而言，精度和速度是一對矛盾體，往往難以調(diào)和。（3）軟件問題快速成型技術(shù)的軟件問題比較嚴(yán)重，軟件系統(tǒng)不僅是離散/堆積的重要環(huán)節(jié)，也是影響成型