熔融沉積快速成型FDMppt課件.ppt

1、熔融沉積快速成型,目錄,3,FDM成型技術(shù)的特點(diǎn),6,FDM快速成型技術(shù)的支撐,7,成型過(guò)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(guò)程,11,FDM快速成型機(jī)技術(shù)優(yōu)勢(shì),9,FDM設(shè)備簡(jiǎn)介,一 概念及簡(jiǎn)介,熔融沉積造型(Fused Deposition Modeling,FDM)采用熱熔噴頭，使半流 動(dòng)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(gè)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(jiǎn)介,絲狀材料選擇性熔覆（Fused Deposition Manufacturing，簡(jiǎn)稱FDM），又

2、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(guò)熔融絲料的逐層固化來(lái)構(gòu)成三維產(chǎn)品，以該工藝制造的產(chǎn)品目前的市場(chǎng)占有率約為6.1。,研究熔融沉積制造(Fuesd Depostion Modeling 簡(jiǎn)稱FDM)工藝的主要有Stratasys公司和Med Modeler公司。這種技術(shù)以美國(guó)Stratasys公司開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品制造系統(tǒng)應(yīng)用FDM-1650(臺(tái)面為250mmx250mmx250mm)機(jī)型后，先后推出FDM-2000、FDM-3000和FDM-8000機(jī)型。,FDM-1650,引人注目的是1998年Stratasys公司推出的FD

3、M-Quantum機(jī)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(shí)間控制兩個(gè)擠出頭，因此其造型速度為過(guò)去的5倍。,FDM-Quantum機(jī)型,Stratasys公司1998年與MedModeler公司合作開(kāi)發(fā)了專用于醫(yī)院和醫(yī)學(xué)研究單位的MedModeler機(jī)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(jìn)機(jī)型Genisys Xs，其成型體積達(dá)305mmx203mmx203mm,FDM-Genisys Xs,二 工藝原理及過(guò)程,FDM工藝是利用熱塑性材料的熱熔性、粘結(jié)性，在計(jì)算機(jī)控制下層層堆積成形。如圖2所示，加熱噴頭

4、在計(jì)算機(jī)的控制下，可根據(jù)截面輪廓的信息，作X-Y平面運(yùn)動(dòng)和高度Z方向的運(yùn)動(dòng)。絲狀熱塑性材料由供絲機(jī)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(tái)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(jìn)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制造工藝原理,熔融沉積快速成型工藝在原型制作時(shí)需要同時(shí)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。 一個(gè)噴頭用于沉積模型材料，一個(gè)噴頭用于沉積支撐材料。一般來(lái)說(shuō)，模型材料絲精細(xì)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(diǎn)除了沉

5、積過(guò)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(guò)程中支撐材料的去除，如水溶材料、低于模型材料熔點(diǎn)的熱熔材料等。,仿真動(dòng)畫(huà),2.2工藝過(guò)程,FDM快速成型的過(guò)程包括:設(shè)計(jì)三維CAD模型、CAD模型的近似處理、對(duì)STL文件進(jìn)行分層處理、造型、后處理。如圖所示。,快速成型的過(guò)程,1 設(shè)計(jì)CAD三維模型 設(shè)計(jì)人員根據(jù)產(chǎn)品的要求，利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)出三維CAD模型。常用的設(shè)計(jì)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(lái)逼近曲面，得到STL格

6、式的三維近似模型文件。許多常用的CAD設(shè)計(jì)軟件都具有這項(xiàng)功能。 3 STL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 產(chǎn)品的造型包括兩個(gè)方面:支撐制作和實(shí)體制作。 5 后處理 快速成型的后處理主要是對(duì)成型進(jìn)行表面處理。去除實(shí)體的支撐部分，對(duì)部分實(shí)體表面進(jìn)行處理，使成型精度、表面粗糙度等達(dá)到要求。但是，成型的部分復(fù)雜和細(xì)微結(jié)構(gòu)的支撐很難去除，在處理過(guò)程中會(huì)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

7、開(kāi)發(fā)出水溶性支撐材料，有效的解決了這個(gè)難題。目前，我國(guó)自行研發(fā)FDM工藝還無(wú)法做到這一點(diǎn)，成型的后處理仍然是一個(gè)較為復(fù)雜的過(guò)程。,三 FDM成型技術(shù)的特點(diǎn),由于采用了熱融擠壓頭的專利技術(shù)，使整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)造原理和操作簡(jiǎn)單，維護(hù)成本低，系統(tǒng)運(yùn)行安全。可以使用無(wú)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(lái)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(zhǔn)為自動(dòng)控制。,3.1FDM成型技術(shù)的優(yōu)點(diǎn),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(fù)雜程度的零件，常用于成型具有很復(fù)雜的內(nèi)腔、孔等零件。 原村料在成型過(guò)程中無(wú)化學(xué)變化，制件的翹曲變形小。 原材

8、料利用率高，且材料壽俞長(zhǎng)。 支撐去除簡(jiǎn)單無(wú)需化學(xué)清洗，分離容易。,3.2FDM成型技術(shù)的缺點(diǎn),成型件的表面有較明顯的條紋。 沿成型軸垂直方向的強(qiáng)度比較弱。 需要設(shè)計(jì)與制作支撐結(jié)構(gòu)。 需要對(duì)整個(gè)截面進(jìn)行掃描涂覆，成型時(shí)間較長(zhǎng)。 原材料價(jià)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,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(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。,4.1.1 機(jī)械系統(tǒng),機(jī)械系統(tǒng)由運(yùn)動(dòng)、噴頭、成形室、材料室、等單元組成，多采用模塊化設(shè)計(jì)，各個(gè)單元相互獨(dú)立。 運(yùn)動(dòng)單元只完成掃描和噴頭的升降動(dòng)作，且運(yùn)動(dòng)單元的精度決定了整機(jī)的運(yùn)動(dòng)精度。 加熱噴頭在計(jì)算機(jī)的控制下，根據(jù)

9、產(chǎn)品零件的截面輪廓信息，作X-Y平面運(yùn)動(dòng)和高度Z方向的運(yùn)動(dòng)。 成形室用來(lái)把絲狀材料加熱到熔融態(tài)，材料室用來(lái)儲(chǔ)存FDM用的材料。,4.1.2 控制系統(tǒng),由控制柜與電源柜組成，用來(lái)控制噴頭的運(yùn)動(dòng)以及成形室的溫度。,4.2 軟件系統(tǒng),軟件系統(tǒng)由幾何建模和信息處理組成。,4.2.1 幾何建模,幾何建模單元是設(shè)計(jì)人員借助三維軟件，如Pro/E，UG等，來(lái)完成實(shí)體模型的構(gòu)造，并以STL格式輸出模型的幾何信息。,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(jì)算，數(shù)控代碼生成和對(duì)成形系統(tǒng)的控制。,如果根據(jù)STL文件判斷出成形過(guò)程需要支撐的話，先由計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)出支撐結(jié)構(gòu)并生成支撐

10、，然后對(duì)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。,4.3 供料系統(tǒng),由馬達(dá)驅(qū)動(dòng)橡膠輥?zhàn)?，從而將絲料送入成形噴頭。,五 FDM的成型材料,FDM工藝對(duì)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(guò)程的主要因素是粘度。材料的粘度低、流動(dòng)性好，阻力就小，有助于材料順利的擠出。材料的流動(dòng)性差，需要很大的送絲壓力才能擠出，會(huì)增加噴頭的啟停響應(yīng)時(shí)間，從而影響成形精度。,5.1 成型材料特點(diǎn),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(diǎn)材料和低熔點(diǎn)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

11、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(guó)Stratasys公司的丙烯腈-丁二烯-苯乙烯聚合物細(xì)絲（ABS P400）、甲基丙酸烯-丙烯腈-丁二烯-苯乙烯聚合物細(xì)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)的支撐,設(shè)計(jì)支撐的原因：FDM成形中，每一個(gè)層片都是在上一層上堆積而成，上一層對(duì)當(dāng)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(huì)發(fā)生變化，當(dāng)形狀發(fā)生較大的變化時(shí)，上層輪廓就不能給當(dāng)前層提供充分的定位和支撐作用，這就需要設(shè)計(jì)一些輔助結(jié)構(gòu)“支撐”，以保證成形過(guò)程的順利實(shí)現(xiàn)

12、。,FDM技術(shù)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(jié)構(gòu)。 2.Break Away Support Structure (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?yàn)榭梢圆挥每紤]機(jī)械式的移除，所以可以接近于細(xì)小的特征，因而用的更廣泛。,七 成型過(guò)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(shí)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

13、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,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(guò)空氣壓縮機(jī)提供的壓力由噴頭擠出，涂覆在工作平臺(tái)或前一沉積層之上。噴頭按當(dāng)前層面幾何形狀進(jìn)行掃描堆積，實(shí)現(xiàn)逐層凝固。工作臺(tái)由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制X,Y,Z三維運(yùn)動(dòng)，可逐層制造三維實(shí)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(jī)構(gòu)、可升降工作臺(tái)及支架機(jī)構(gòu)6部分組成。其中控制用計(jì)算機(jī)配置有CAD模型切片軟件和加支撐軟件，對(duì)三維模型進(jìn)行切片和診斷，并在

14、零件的高度方向，模擬顯示出每隔一定時(shí)間的一系列橫截面的輪廓，加支撐軟件對(duì)零件進(jìn)行自動(dòng)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(cè)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(cè)壓后進(jìn)行擠壓，制造原型零件?？刂葡到y(tǒng)能使整個(gè)AJS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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。,8.2 氣壓式熔融沉積快速成型系統(tǒng)特點(diǎn),1）成型材料廣泛 2）設(shè)備成本低 3）無(wú)污染,8.2.1 優(yōu)點(diǎn),8.2.2缺點(diǎn),1）由于噴嘴孔徑較小，對(duì)于成型材料的粘度、包含雜質(zhì)的顆粒度等的要求都很?chē)?yán)格

15、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(shí)不能成型很尖銳的拐點(diǎn)，成型過(guò)程中，在每一層的開(kāi)始與結(jié)束點(diǎn)的結(jié)合處會(huì)出現(xiàn)熔接痕，整個(gè)零件上會(huì)出現(xiàn)接縫,8.2.3 對(duì)傳統(tǒng)FDM不同之處,1）FDM工藝一般采用低熔點(diǎn)絲狀材料，如蠟絲或ABS塑料絲，如果采用高熔點(diǎn)的熱塑性復(fù)合材料，或?qū)τ谝恍┎蝗菀准庸こ山z材的材料，如EVA材料等，就會(huì)相當(dāng)困難。該系統(tǒng)無(wú)需再采用專門(mén)的擠壓成絲設(shè)備來(lái)制造絲材，工作時(shí)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(jī)可提供1MPa范圍內(nèi)任何大小的氣壓

16、，能準(zhǔn)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(jiǎn)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(jī)構(gòu)為噴頭輸送原料，即用電機(jī)驅(qū)動(dòng)一對(duì)送進(jìn)輪來(lái)提供推力，送絲機(jī)構(gòu)和噴頭采用推-拉相結(jié)合的方式向前運(yùn)動(dòng)，作用原理類似于活塞難免會(huì)由于送絲滾輪的往復(fù)運(yùn)動(dòng)致使擠出過(guò)程不連續(xù)和因震動(dòng)較大而產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)慣性對(duì)噴頭定位精度的影響。改進(jìn)后的AJS系統(tǒng)由于沒(méi)有了運(yùn)絲部分而使噴頭變的輕巧，減小了機(jī)構(gòu)的震動(dòng)提高了成型精度。,9.1 Stratsys公司FDM成型機(jī)分為3個(gè)系列,RP系列 Stratsys系列 Dimension系列的特點(diǎn),九 FDM設(shè)備簡(jiǎn)介,RP系列：優(yōu)

17、點(diǎn)是運(yùn)行成本低、塑料材料、設(shè)備價(jià)格低、配套模擬軟件及教學(xué)培訓(xùn)軟件；缺點(diǎn)是做精細(xì)工件能力弱；適用于企業(yè)用戶、特別適用于高?？蒲泻徒虒W(xué)。下圖為RP-360 FDM快速成型機(jī),Stratsys系列：優(yōu)點(diǎn)是塑料材料、材料抗沖擊性好；缺點(diǎn)是運(yùn)行成本非常高、中大型加工尺寸設(shè)備價(jià)格高、做精細(xì)工件能力弱；適用于企業(yè)用戶及科研要求的高校研究機(jī)構(gòu)，不適合高校教學(xué)機(jī)構(gòu)。下圖為Stratasys FDM 200mc.,Dimension系列的特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)是塑料材料、材料抗沖擊性好；缺點(diǎn)是運(yùn)行成本非常高、中大型加工尺寸設(shè)備價(jià)格高、做精細(xì)工件能力弱；適用于企業(yè)用戶及科研要求的高校研究機(jī)構(gòu)，不適合高校教學(xué)機(jī)構(gòu)。圖為Dimen

18、sion BST 1200ES FDM快速成型機(jī)。,9.2 國(guó)內(nèi)FDM設(shè)備,國(guó)內(nèi)清華大學(xué)研制的融入擠壓沉積成型（Melted Extrusion Modeling,MEM）也有其獨(dú)特的特點(diǎn)，MEM機(jī)型重于特殊的噴嘴和設(shè)備的開(kāi)發(fā)，成卷軸狀的絲質(zhì)原材料是通過(guò)加熱噴頭擠出，原型在一個(gè)垂直上下游動(dòng)的底座上逐層制造。,MEM機(jī)型,十 熔融沉積快速成型技術(shù)的應(yīng)用,FDM快速成型技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于汽車(chē)、機(jī)械、航空航天、家電、通訊、電子、建筑、醫(yī)學(xué)、玩具等產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程，如產(chǎn)品外觀評(píng)估、方案選擇、裝配檢查、功能測(cè)試、用戶看樣訂貨、塑料件開(kāi)模前校驗(yàn)設(shè)計(jì)以及少量產(chǎn)品制造等，也應(yīng)用于政府、大學(xué)及研究所等機(jī)構(gòu)。用

19、傳統(tǒng)方法須幾個(gè)星期、幾個(gè)月才能制造的復(fù)雜產(chǎn)品原型，用FDM成型法無(wú)需任何刀具和模具，瞬間便可完成。,10.1 FDM在日本豐田公司的應(yīng)用,豐田公司采用FDM工藝制作右側(cè)鏡支架和四個(gè)門(mén)把手的母模，通過(guò)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(chē)型的制造成本顯著降低，右側(cè)鏡支架模具成本降低20萬(wàn)美元，四個(gè)門(mén)把手模具成本降低30萬(wàn)美元。FDM工藝已經(jīng)為豐田公司在轎車(chē)制造方面節(jié)省了200萬(wàn)美元。,10.2 FDM在美國(guó)快速原型制造公司的 應(yīng)用,從事模型制造的美國(guó)Rapid Models & Prototypes公司采用FDM工藝為生產(chǎn)廠商Laramie Toys制作了玩

20、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(guò)將多個(gè)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 FDM在Mizunos公司的應(yīng)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(guó)公司開(kāi)發(fā)一套新的高爾夫球桿，通常需要13個(gè)月的時(shí)間。FDM的應(yīng)用大大縮短了這個(gè)過(guò)程，設(shè)計(jì)出的新高爾夫球頭用FDM制作后，可以迅速地得到反饋意見(jiàn)并進(jìn)行修改，大大加快了造型階段的設(shè)計(jì)驗(yàn)證，一旦設(shè)計(jì)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(gè)開(kāi)發(fā)周期在7個(gè)月內(nèi)就全部完成，縮短了40%的時(shí)間。目前，F(xiàn)DM快速原型技術(shù)已成為Mizuno美國(guó)公司在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中起決定性作用的組成部分。,10.4 FDM在福特公司的應(yīng)用,福特公司常年需要部件的襯板，當(dāng)部件從一廠到另一廠的運(yùn)輸過(guò)程中，襯板用于支撐、緩沖和防護(hù)。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(fèi)成千萬(wàn)美元和12周時(shí)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(yàn)蠟靠模的尺寸，測(cè)出模具收縮趨向。緊接著從鑄造石