熔絲沉積快速成型(20210929195230)

1、熔絲沉積快速成型1 緒論快速成形技術(shù)是一門先進(jìn)制造技術(shù)，具有非常廣闊的應(yīng)用前景，但是國(guó)內(nèi)企業(yè)應(yīng)用快 速成形技術(shù)依賴國(guó)外生產(chǎn)的設(shè)備，導(dǎo)致應(yīng)用本錢高昂，影響了快速成形技術(shù)在國(guó)內(nèi)的推廣 和應(yīng)用。熔絲沉積快速成形(FDM)方法是快速成形技術(shù)中的一個(gè)重要分支，它涉及到機(jī)械、數(shù)控、高分子材料和計(jì)算機(jī)等技術(shù)，熔絲沉積快速成形設(shè)備具有硬度高、不使用激光器、 設(shè)備本錢低等優(yōu)點(diǎn)，其制件強(qiáng)度好。因此 , 研究和開發(fā)國(guó)產(chǎn)化的熔絲沉積快速成形設(shè)備具 有重要的義。本文主要講了熔絲沉積成型的工作原理，應(yīng)用范圍2 FDM 快速成型技術(shù)簡(jiǎn)介2.1 熔融沉積制造技術(shù)簡(jiǎn)介：研究熔融沉積制造 (Fuesd Depostion Mod

2、eling 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 公司開發(fā)的產(chǎn)品制造系統(tǒng)應(yīng)用最為 廣泛。Stratasys 公司于1993年開發(fā)出第一臺(tái) FDM-1650(臺(tái)面為250mmx250mmx250mr機(jī) 型后，先后推出 FDM-2000 FDM-3000和FDM-8000機(jī)型。圖 1 為美國(guó) Stratasys 公司生產(chǎn)的 Dimension 型號(hào)的 FDM快速成型機(jī)外形，成型尺寸203mmX203mmx305mm。該系統(tǒng)采用擠出頭磁浮定位 (Magnic Drive) 系統(tǒng)，可在同一時(shí) 間獨(dú)立控制兩個(gè)擠出頭。因

3、此其造型速度為過(guò)去的 5 倍。 ?圖 2-1 Dimension BST 1200es 三維打印機(jī)2.2 工藝原理熔絲沉積成型(Fused Deposition Modeling簡(jiǎn)稱FDM)是快速成型技術(shù)中的一種。其工作原理如圖 2 所示：圖 2-2 熔絲沉積成型工作原理圖該系統(tǒng)組要包括噴頭、送絲機(jī)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、加熱機(jī)構(gòu)，工作臺(tái) 5 個(gè)局部。工作時(shí)， 先確定各層間距、路徑寬度，計(jì)算機(jī)對(duì)計(jì)算機(jī)模型進(jìn)行切片，生成路徑，然后在計(jì)算機(jī)控 制下噴頭按路徑移動(dòng)出絲，噴絲粘結(jié)在工作臺(tái)上已制作層面上，如此反復(fù)逐層制作，直至 最后一層，這樣熔絲粘結(jié)形成所要求的實(shí)體模型。其中噴頭是關(guān)鍵、最復(fù)雜的局部，材料 在噴頭

4、中北加熱熔化，噴頭底部有一噴嘴供熔融的材料以一定的壓力擠出，噴頭沿零件截 面輪廓和填充軌跡運(yùn)動(dòng)時(shí)擠出材料，與前一層粘結(jié)并在空氣中迅速固化，如此反復(fù)進(jìn)行即可得到實(shí)體零件。它的工藝過(guò)程決定了它在制造懸臂件時(shí)需要添加支撐，這點(diǎn)與LOM和SLS完全不同。現(xiàn)在的FDM快速成型系統(tǒng)一般都采用雙噴頭獨(dú)立加熱，一個(gè)用來(lái)噴模型材 料制造零件，另一個(gè)用來(lái)噴支撐材料做支撐，兩種材料的特性不同，制作完畢后去除支撐 相當(dāng)容易。FDM 工藝的關(guān)鍵是用液化器代替了激光器，保持半流動(dòng)成型材料剛好在凝固點(diǎn)之上，通常控制在比凝固溫度高 1 C左右。FDM 噴頭受水平分層數(shù)據(jù)控制，當(dāng)它沿著XY方向移動(dòng)，半流動(dòng)融絲材料從 FDM噴頭

5、擠壓出來(lái)，很快凝固，形成精確的層，每層厚度范圍在 0.0250.762 mm。FDM 是各種快速成型工藝中開展速度最快的一種。目前，它以成為快速成型技術(shù)研究。 它主要有一下特點(diǎn)：(1) 成型設(shè)備簡(jiǎn)單，陳本低廉。FDM快速成型系統(tǒng)是以電加熱的方式將成型材料加 熱到熔融狀態(tài)來(lái)成型的，不需要高本錢件激光器，因此大大簡(jiǎn)化了設(shè)備，使之本錢降低。(2) 成型過(guò)程對(duì)環(huán)境無(wú)污染。FDM工所用的成型材料一般為無(wú)毒、無(wú)味的熱塑性材 料，因此對(duì)環(huán)境不會(huì)造成污染。且設(shè)備運(yùn)行時(shí)噪音也很小。2.3 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

6、圖 3 所示。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

7、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)行外表處理。去除實(shí)體的支撐局部，對(duì)局部實(shí)體表 面進(jìn)行處理，使成型精度、外表粗糙度等到達(dá)要求。但是，成型的局部復(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)損壞成型外表的情況，從而影響成型的外表品質(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(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。2.4 成形材料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，

8、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。FDM 工藝選用的材料為絲狀熱塑性材料，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 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 。適用于FDC 工藝的絲狀材料必須具備一定的熱性能

9、和力學(xué)性能。2.5 工藝特點(diǎn)熔融沉積制造工藝作為非激光快速原型制造系統(tǒng)，具有以下優(yōu)點(diǎn)： 1成形材料廣泛。2本錢低。 3成形過(guò)程對(duì)環(huán)境無(wú)污染。由于上述優(yōu)點(diǎn)， FDM 工藝應(yīng)用廣泛，且開展迅速。用蠟成形的零件原型，可以直接用 于失蠟鑄造。用 ABS 工程塑料制造的原型，具有較高強(qiáng)度，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、測(cè)試與評(píng)估等方 面得到廣泛應(yīng)用。FDM系統(tǒng)不僅應(yīng)用于工業(yè)場(chǎng)合，而且是辦公室環(huán)境的理想桌面制造系統(tǒng)。2.6 熔融沉積制造存在的問(wèn)題是：1只適合成形中、小塑料件；成形件的外表有較明顯的條紋，質(zhì)量不如 SL 成形 件好。2沿成形軸垂直方向的強(qiáng)度比擬弱，需設(shè)計(jì)、制作支撐結(jié)構(gòu)。 3 需對(duì)整個(gè)截面進(jìn)行掃描涂覆，成形時(shí)間

10、較長(zhǎng)，為此，可采用多個(gè)熱噴頭，同時(shí) 進(jìn)行涂覆，以便提高成形效率。3 ABS 塑料ABS 樹脂是丙烯腈、丁二烯和苯乙烯三種單體共聚而成的聚合物，簡(jiǎn)稱 ABS ，是人們 在對(duì)聚苯乙烯改性中開發(fā)的一種新型材料。由于具有很優(yōu)異的綜合屋里力學(xué)性能、良好的 耐化學(xué)性能、容易成型加工，價(jià)格又廉價(jià)，已成為用途極廣的一種工程塑料。 ABS 塑料 特性ABS 塑料化學(xué)名稱：丙烯腈 -丁二烯 -苯乙烯共聚物 英文名稱 :Acrylonitrile ButadieneStyreneABS 為丙烯腈 A 、丁二烯 B 和苯乙烯 S 三種單體共聚而成的聚合物，簡(jiǎn)稱 ABS 。每 種單體都具有不同特性，從形態(tài)上看， ABS

11、 是非結(jié)晶性材料。這就決定了 ABS 材料的耐低 溫性、抗沖擊性，外觀特性，低蠕變性，優(yōu)異的尺寸穩(wěn)定性及易加工性等多種特性。且表 面硬度高、耐化學(xué)性好，同時(shí)通過(guò)改變上述三種組分的比例，可改變ABS 的各種性能，故ABS 工程塑料具有廣泛用途。丁二烯為ABS 樹脂提供低溫延展性和抗沖擊性，但是過(guò)多的丁二烯會(huì)降低樹脂的硬度、光澤及流動(dòng)性；丙烯腈為 ABS 樹脂提供硬度、耐熱性、耐酸堿 鹽等化學(xué)腐蝕的性質(zhì)；苯乙烯為 ABS 樹脂提供硬度、加工的流動(dòng)性及產(chǎn)品外表的光潔度。 合成的 ABS 有中沖擊型、高沖擊型、超高沖擊型及耐熱型四類。由于其具有韌、剛、硬的 優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用范圍已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò) PS ，成為一種獨(dú)

12、立的塑料品種。 ABS 既可用于普通塑料又可 用于工程塑料。ABS 一般參數(shù)比重: 1.05 克/立方厘米 成型收縮率 : 0.4-0.7% 吸水率 : 0.2%0.45% 成型溫度： 200-240C枯燥條件：80- 90C 2小時(shí)熱變形溫度為：70 107C使用溫度范圍：- 40 C 80C 硬度：R651153.1 制備方法工業(yè)上生產(chǎn) ABS 可以采用多種方法，這些方法大體可以歸結(jié)為兩大類：共混法和接枝 共聚法。1 共混法共混法是將 AS 樹脂與丁腈橡膠按要求的比例進(jìn)行熔融混煉，其混煉方法可有以下兩種：1將 AS 固體樹脂其組成中含丙烯腈 30%65份與丁腈橡膠 35份，加上硫化劑 和其

13、他血藥的助劑，在輥筒上進(jìn)行混煉?；鞜挿椒ㄊ窍葘S樹脂于149205C在混煉機(jī)輥筒上使之塑化，再加上丁腈橡膠繼續(xù)混煉 20min ，可得到均勻的共混 ABS 。2先用乳液聚合分別制備出 AS 樹脂乳液和丁腈橡膠乳液，再將兩種乳液按比列混 合均勻，并參加必要的助劑，用 BaCl 2,NaCl 或乙酸破乳沉淀，別離水洗、枯燥、送入螺 桿擠出機(jī)中混煉、擠出造粒，即得到ABS 樹脂粒料。2 接枝共聚法1 乳液接枝共聚法用此法先需制備聚丁二烯膠乳。用過(guò)氧化異丙苯做引發(fā)劑，油酸鈉做乳化劑，在約10C左右對(duì)丁二烯進(jìn)行乳液聚合轉(zhuǎn)化率75%，即得丁二烯膠乳。將丁二烯膠乳 30 份以固體含量記、苯乙烯 50 份、

14、丙烯腈 20 份參加帶有高速攪 拌的反響釜中內(nèi)含 300 份水，并以硫酸鉀為引發(fā)劑，油酸鈉為乳化劑，并加少量鏈轉(zhuǎn) 化劑，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下與 6575C下反響，得 ABS膠乳。用NaCI破乳沉淀，離心別離、干 燥，擠出造粒即得 ABS 料粒。2 本體懸浮接枝共聚法 將順丁苯橡膠溶于丙烯腈、苯乙烯兩種單體混合液中，進(jìn)行本體聚合，當(dāng)轉(zhuǎn)化率到達(dá) 25%35%時(shí)，傾入水中進(jìn)行懸浮聚合，將共聚物離心脫水，洗滌并枯燥，擠出造粒。3.2 結(jié)構(gòu)與性能3.2.1 結(jié)構(gòu)ABS 是丙烯腈、丁二烯和苯乙烯三元共聚物，具有結(jié)構(gòu)通式H 2C a CH CHCH bCH 2c*n其分子鏈中三種單體比例可在較大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，其大致的

15、比例范圍是： a=0.20.3 ， b=0.050.4 ， c=0.40.7 。由共混法與接枝共聚法制得的 ABS 結(jié)構(gòu)上有較明顯差異，共混法制得的 ABS 根本上 是 AS 樹脂與丁腈橡膠的兩相混合物，其結(jié)構(gòu)示意圖可用下列圖表示：SS S S S S兩相混合物接枝共聚法得到的 ABS是AS樹脂分子鏈與丁二烯分子鏈接枝的結(jié)構(gòu)。SS S S S AB B B B B BH 2B B ASS S S3.2.2 性能1. 一般性能ABS 的外觀為不透明呈象牙色的粒料，無(wú)毒、無(wú)味、吸水率低其制品可著成各種顏色， 并具有 90%的高光澤度。 ABS 的相對(duì)密度為 1.05 ，ABS 同其它材料的結(jié)合性好

16、，易于外表 印刷、涂層和鍍層處理。 ABS 的氧指數(shù)為 18.2 ，屬易燃聚合物，火焰呈黃色，有黑煙，燒 焦但不滴落，并發(fā)出特殊的肉桂味。ABS 是一種綜合性能十分良好的樹脂，在比擬寬廣的溫度范圍內(nèi)具有較高的沖擊強(qiáng)度和外表硬度，熱變形溫度比 PA、PVC高，尺寸穩(wěn)定性好，收縮率在 0.4%0.8%范圍內(nèi)， 假設(shè)經(jīng)玻纖增強(qiáng)后可以減少到 0.2%0.4%，而且絕少出現(xiàn)塑后收縮。其臨界外表張力為34 38mN/cm ABS熔體的流動(dòng)性比 PVC和PC好，但比PE、PA及PS差，與POM和HIPS類似。ABS的流動(dòng)特性屬非牛頓流體，其熔體粘度與加工溫度和剪切速率都 有關(guān)系，但對(duì)剪切速率更為敏感。2 力

17、學(xué)性能ABS 有優(yōu)良的力學(xué)性能，其沖擊強(qiáng)度極好，可以在極低的溫度下使用。即使ABS 制品被破壞，也只能是拉伸破壞而不會(huì)是沖擊破壞。 ABS 的耐磨性能優(yōu)良，尺寸穩(wěn)定性好，又 具有耐油性，可用于中等載荷和轉(zhuǎn)速下的軸承。ABS的蠕變性比PSF及PC大，但比PA和POM小。ABS的彎曲強(qiáng)度和壓縮強(qiáng)度屬塑料中較差的。ABS的力學(xué)性能受溫度的 影響較大。表 3-1 列出了 ABS 塑料力學(xué)性能測(cè)試值。表 3-1 各品級(jí)的 ABS 塑料典型的力學(xué)性能3 熱學(xué)性能ABS 屬于無(wú)定形聚合物，無(wú)明顯熔點(diǎn)；熔體粘度較高，流動(dòng)性差；熱穩(wěn)定不太好，耐候性較差，紫外線可使變色；熱變形溫度為70 107C，制品經(jīng)退火處理

18、后還可提高10C左右。對(duì)溫度，剪切速率都比擬敏感；ABS在40C時(shí)仍能表現(xiàn)出一定的韌性，可在-40C到80C的溫度范圍內(nèi)長(zhǎng)期使用，不同品級(jí)的ABS各種熱性能數(shù)據(jù)有所差異。表3-2 列出了 ABS 各品級(jí)的集中熱性能指標(biāo)測(cè)試值。表 3-2 ABS 的典型熱性能數(shù)據(jù)4 電學(xué)性能ABS 的電絕緣性較好，并且?guī)缀醪皇軠囟取穸群皖l率的影響，可在大多數(shù)環(huán)境下使 用。表 3-3 中列出了 ABS 塑料電性能只是范圍。表 3-3 ABS 的電性能5 耐化學(xué)試劑耐溶性ABS 具有較良好的耐化學(xué)試劑性，除了濃的氧化性酸之外，對(duì)各種酸、堿、鹽類都比 較穩(wěn)定，與各種食品、藥物、香油精長(zhǎng)期接觸也不會(huì)引起什么變化。醇類

19、、烴類對(duì)ABS 無(wú)溶解作用。只能在長(zhǎng)期接觸中使它慢慢溶脹，醛、酮、酯、氯代烴等極性溶劑可以使它溶 解或與之形成乳濁液，冰酯酸、植物油可以引起應(yīng)力開裂。6ABS 的“阻燃添加劑對(duì) ABS 塑料具有較好阻燃作用的主要有磷系、鹵系有機(jī)物及某些無(wú)機(jī)化合物，其中 無(wú)機(jī)阻燃劑在 ABS 中添加量需要到達(dá) 40%以上才有較明顯的效果，同時(shí)由于其添加量大， 因此會(huì)嚴(yán)重?fù)p害 ABS 的物理力學(xué)性能。而磷系阻燃劑品種、數(shù)量較少，且多數(shù)又為液體和 低熔點(diǎn)化合物，不適用于 ABS 的造粒加工工藝。因此，當(dāng)前對(duì)于 ABS 的阻燃體系主要采 用鹵系阻燃劑，其中阻燃效果最好的為含溴有機(jī)化合物，如十溴聯(lián)苯醚DBDPO、四溴雙

20、酚A等。7 耐候性ABS 分子鏈中的丁二烯局部含有雙鍵，使它的耐候性較差，在紫外線或熱的作用下易 氧化降解。特別對(duì)于波長(zhǎng)缺乏 350nm 的紫外光局部更敏感。老化破壞的宏觀表現(xiàn)是使材料 變脆，例如經(jīng)過(guò)半年戶外暴露的 ABS 試樣沖擊強(qiáng)度可下降 10%。老化的脆化層起初增長(zhǎng)較 快，隨后變慢。參加酚類抗氧化劑或炭黑可在一定程度上改善老化性能。3.3 ABS 塑料的成型加工1 工藝特性ABS 同 PS 一樣是一種加工性能優(yōu)良的熱塑性塑料，可用通用的加工方法加工。 ABS 具有良好的成型加工性，制品外表光潔度高，且具有良好的涂裝性和染色性，可電鍍成多 種色澤。比熱容較低，在模具中凝固較快，模塑周期短，

21、制件尺寸穩(wěn)定，外表光澤。ABS 是屋頂性聚合物，無(wú)明顯熔點(diǎn)，熔融流動(dòng)性溫度不太高，隨所含三種單體比例不同，在160190C范圍具有充分的流動(dòng)性，且熱穩(wěn)定性好，不易出現(xiàn)熱降解現(xiàn)象。ABS的吸水性較高，加工前應(yīng)進(jìn)行枯燥處理。一般制品的枯燥條件為80C -85C, 2-4小時(shí)；對(duì)特殊要求的制品如電鍍，那么需 70C-80C, 10-18小時(shí)。ABS 制品在加工中易產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，如應(yīng)力太大或制品對(duì)應(yīng)力開裂絕對(duì)禁止，應(yīng)進(jìn)行退 火處理，具體方法是制品置于 70C-80C的熱風(fēng)循環(huán)枯燥箱內(nèi) 24小時(shí)，再冷卻到室溫即 可。ABS 具有較小的成型收縮率，收縮率變化最大范圍約為0.3%0.8%在多數(shù)情況下，其變化小

22、雨該范圍。2 加工工藝1 注塑 :注塑是 ABS 塑料最重要的成型方法，可以采用柱塞式注塑機(jī)，但更常用螺桿式注塑機(jī)， 后者更適于形狀復(fù)雜制品、大型制品成型。表 3-4 列出了 ABS 的典型注塑工藝條件。表 3-4 ABS 塑料擠出工藝條件2 擠出ABS 可以再通用型單螺桿擠出機(jī)上擠出管、棒、板等型材，可以用漸變型螺桿，也可 以采用突變性螺桿，螺桿長(zhǎng)徑比一般是 1820之間，壓縮比為 2.53.0 之間。表 3-5 是 ABS 擠出的典型工藝表 3-5 ABS 擠出成型工藝條件3 ABS 塑料的應(yīng)用范圍 .ABS 是本世紀(jì) 40 年代開展起來(lái)的通用熱塑性工程塑料，是一個(gè)綜合力學(xué)性能十分優(yōu) 秀的塑料品種，不僅具有良好的剛性、硬度和加工流動(dòng)性，而且具有高韌性特點(diǎn)，可以注 塑、擠出或熱成型。大局部汽車部件都是用注塑成型方法加工的，ABS 樹脂的優(yōu)點(diǎn)是抗沖性、隔音性、耐劃痕性，耐熱性更好，比 PP 更美觀，特別在橫向抗沖性和使用溫度較為 嚴(yán)