第五章_熔融沉積快速成型工藝

1、第五章 熔融沉積快速成型工藝快速成型與快速模具制造技術(shù)及其應(yīng)用快速成型與快速模具制造技術(shù)及其應(yīng)用機(jī)械工業(yè)出版社（第三版）機(jī)械工業(yè)出版社（第三版） 第五章第五章 熔融沉積快速成型工藝熔融沉積快速成型工藝 熔融沉積快速成型（Fused Deposition Modeling，F(xiàn)DM）是繼光固化快速成型和疊層實(shí)體快速成型工藝后的另一種應(yīng)用比較廣泛的快速成型工藝方法。該工藝方法以美國美國Stratasys公司公司開發(fā)的FDM制造系統(tǒng)的應(yīng)用最為廣泛。該公司自1993年年開發(fā)出第一臺(tái)FDM1650機(jī)型機(jī)型后，先后推出了FDM2000、FDM3000、FDM8000及1998年推出的引人注目的FDM Qua

2、ntum機(jī)型，F(xiàn)DM Quantum機(jī)型的最大造型體積達(dá)到600mm500mm600mm。此外，該公司推出的Dimension系列小型FDM三維打印設(shè)備得到市場的廣泛認(rèn)可，僅2005年的銷量就突破了1000臺(tái)。國內(nèi)的清華清華大大學(xué)學(xué)與北京殷華公司北京殷華公司也較早地進(jìn)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(shè)備MEM 250等。1熔融沉積快速成型工藝的基本原理和特點(diǎn)熔融沉積快速成型工藝的基本原理和特點(diǎn)2熔融沉積快速成型材料及設(shè)備熔融沉積快速成型材料及設(shè)備3熔融沉積快速成型工藝過程熔融沉積快速成型工藝過程4熔融沉積快速成型工藝因素分析熔融沉積快速成型工藝因素分析5氣壓式熔融沉積快速

3、成型系統(tǒng)氣壓式熔融沉積快速成型系統(tǒng)第五章第五章 熔融沉積快速成型工藝熔融沉積快速成型工藝1.熔融沉積快速成型工藝的基本原理熔融沉積快速成型工藝的基本原理 第一節(jié) 熔融沉積快速成型工藝基本原理和特點(diǎn) 熔融沉積（Fused Deposition Modeling，F(xiàn)DM）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(gè)微細(xì)噴嘴的噴頭擠噴出來，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(gè)層面沉積完成后，工作臺(tái)按預(yù)定的增量下降一個(gè)層的厚度，再繼續(xù)熔噴沉積，直至完成整個(gè)實(shí)體造型。圖圖5-1 熔融沉積制造工

4、藝的基本原理熔融沉積制造工藝的基本原理 將實(shí)芯絲材原材料纏繞在供料輥上，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)輥?zhàn)有D(zhuǎn)，輥?zhàn)雍徒z材之間的摩擦力使絲材向噴頭的出口送進(jìn)。在供料輥與噴頭之間有一導(dǎo)向套，導(dǎo)向套采用低摩擦材料制成，以便絲材能順利、準(zhǔn)確地由供料輥送到噴頭的內(nèi)腔。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，然后通過出口涂覆至工作臺(tái)上，并在冷卻后形成制件當(dāng)前截面輪廓。圖圖5-1 熔融沉積制造工藝的基本原理熔融沉積制造工藝的基本原理第一節(jié) 熔融沉積快速成型工藝基本原理和特點(diǎn) 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)備采用了雙雙噴頭噴頭，如圖5-2所示。一個(gè)

5、噴頭用于沉積模型材料，一個(gè)噴頭用于沉積支撐材料。雙噴頭的優(yōu)點(diǎn)除了沉積過程中具有較沉積過程中具有較高的沉積效率高的沉積效率和降低模型制作成本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便于后處理過程中支撐材料的去除的去除，如水溶材料、低于模型材料熔點(diǎn)的熱熔材料等。圖圖5-2 雙噴頭熔融沉積工藝的基本原理雙噴頭熔融沉積工藝的基本原理第一節(jié) 熔融沉積快速成型工藝基本原理和特點(diǎn)2.熔融沉積成型工藝的特點(diǎn)熔融沉積成型工藝的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)： 系統(tǒng)構(gòu)造和原理簡單，運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用低（無激光器） 原材料無毒，適宜在辦公環(huán)境安裝使用 用蠟成形的零件原型，可以直接用于失蠟鑄造 可

6、以成型任意復(fù)雜程度的零件 無化學(xué)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(xué)清洗，分離容易 可直接制作彩色原型缺點(diǎn)： 成型件表面有較明顯條紋 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) 原材料價(jià)格昂貴 需要對(duì)整個(gè)截面進(jìn)行掃描涂覆，成形時(shí)間較長第一節(jié) 熔融沉積快速成型工藝基本原理和特點(diǎn)指指 標(biāo)標(biāo)SLALOMSLSFDM成型速度成型速度較快快較慢較慢原型精度原型精度高較高較低較低制造成本制造成本較高低較低較低復(fù)雜程度復(fù)雜程度復(fù)雜簡單復(fù)雜中等零件大小零件大小中小件中大件中小件中小件常用材料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

7、粉末石蠟、尼龍、ABS、低熔點(diǎn)金屬等第一節(jié) 熔融沉積快速成型工藝基本原理和特點(diǎn)FDM工藝與其它快速成型工藝方法的比較：工藝與其它快速成型工藝方法的比較：1熔融沉積快速成型工藝的基本原理和特點(diǎn)熔融沉積快速成型工藝的基本原理和特點(diǎn)2熔融沉積快速成型材料及設(shè)備熔融沉積快速成型材料及設(shè)備3熔融沉積快速成型工藝過程熔融沉積快速成型工藝過程4熔融沉積快速成型工藝因素分析熔融沉積快速成型工藝因素分析5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)第五章第五章 熔融沉積快速成型工藝熔融沉積快速成型工藝第二節(jié) 熔融沉積快速成型材料及設(shè)備1. 熔融沉積快速成型材料熔融沉積快速成型材料 熔融沉積快速成型制造技

8、術(shù)的關(guān)鍵在于熱融噴頭，噴頭溫度的控制要求使材料擠出時(shí)既保持一定的形狀又有良好的粘結(jié)性能。除了熱熔噴頭以外，成型材料的相關(guān)特性（如材料的粘度、熔融溫度、粘結(jié)性以及收縮率等）也是該工藝應(yīng)用過程中的關(guān)鍵。 熔融沉積工藝使用的材料分為兩部分：一類是成型材料，另一類是支撐材料。第二節(jié) 熔融沉積快速成型材料及設(shè)備材料的粘度材料的粘度材料的粘度低、流動(dòng)性好，阻力就小，有助于材料順利擠出。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，從而影響成型精度。 材料熔融溫度材料熔融溫度 熔融溫度低可以使材料在較低溫度下擠出，有利于提高噴頭和整個(gè)機(jī)械系統(tǒng)的壽命。可以減少材料在擠出前后的溫差，減少

9、熱應(yīng)力，從而提高原型的精度。 材料的粘結(jié)性材料的粘結(jié)性 FDM工藝是基于分層制造的一種工藝，層與層之間往往是零件強(qiáng)度最薄弱的地方，粘結(jié)性好壞決定了零件成型以后的強(qiáng)度。粘結(jié)性過低，有時(shí)在成型過程中因熱應(yīng)力會(huì)造成層與層之間的開裂。 材料的收縮率材料的收縮率 由于擠出時(shí)，噴頭內(nèi)部需要保持一定的壓力才能將材料順利擠出，擠出后材料絲一般會(huì)發(fā)生一定程度的膨脹。如果材料收縮率對(duì)壓力比較敏感，會(huì)造成噴頭擠出的材料絲直徑與噴嘴的名義直徑相差太大，影響材料的成型精度。FDM成型材料的收縮率對(duì)溫度不能太敏感，否則會(huì)產(chǎn)生零件翹曲、開裂。 由以上材料特性對(duì)FDM工藝實(shí)施的影響來看，F(xiàn)DM工藝對(duì)成型材料的要求是熔融溫度低

10、、熔融溫度低、粘度低、粘結(jié)性好、收縮率小。粘度低、粘結(jié)性好、收縮率小。 v熔融沉積快速成型工藝對(duì)原型材料的要求：熔融沉積快速成型工藝對(duì)原型材料的要求：v熔融沉積快速成型工藝對(duì)支撐材料的要求：熔融沉積快速成型工藝對(duì)支撐材料的要求：能承受一定高溫度能承受一定高溫度由于支撐材料要與成型材料在支撐面上接觸，所以支撐材料必須能夠承受成型材料的高溫，在此溫度下不產(chǎn)生分解與融化。與成型材料不浸潤，便于后處理與成型材料不浸潤，便于后處理 支撐材料是加工中采取的輔助手段，在加工完畢后必須去除，所以支撐材料與成型材料的親和性不應(yīng)太好。 具有水溶性或者酸溶性具有水溶性或者酸溶性 對(duì)于具有很復(fù)雜的內(nèi)腔、孔等原型，為了

11、便于后處理，可通過支撐材料在某種液體里溶解而去支撐。由于現(xiàn)在FDM使用的成型材料一般是ABS工程塑料，該材料一般可以溶解在有機(jī)溶劑中，所以不能使用有機(jī)溶劑。目前已開發(fā)出水溶性支撐材料。 具有較低的熔融溫度具有較低的熔融溫度 具有較低的熔融溫度可以使材料在較低的溫度擠出，提高噴頭的使用壽命。 流動(dòng)性要好流動(dòng)性要好 由于支撐材料的成型精度要求不高，為了提高機(jī)器的掃描速度，要求支撐材料具有很好的流動(dòng)性，相對(duì)而言，對(duì)于粘性可以差一些。 FDM工藝對(duì)支撐材料的要求是能夠承受一定的高溫承受一定的高溫、與成型材料不浸潤與成型材料不浸潤、具有水溶性或具有水溶性或者酸溶性者酸溶性、具有較低的熔融溫度具有較低的熔

12、融溫度、流動(dòng)性要特別好流動(dòng)性要特別好等。第二節(jié) 熔融沉積快速成型材料及設(shè)備材材 料料適用的設(shè)備系統(tǒng)適用的設(shè)備系統(tǒng)可供選擇的顏色可供選擇的顏色備備 注注ABS ABS 丙稀腈丁二烯苯乙烯丙稀腈丁二烯苯乙烯FDM1650FDM1650，F(xiàn)DM2000FDM2000，F(xiàn)DM8000FDM8000，F(xiàn)DMQuantumFDMQuantum白黑紅綠藍(lán)白黑紅綠藍(lán)耐用的無毒塑料耐用的無毒塑料ABSi ABSi 醫(yī)學(xué)專用醫(yī)學(xué)專用ABSABSFDM1650FDM1650，F(xiàn)DM2000FDM2000黑白黑白被食品及藥物管理局認(rèn)可的、被食品及藥物管理局認(rèn)可的、耐用的且無毒的塑料耐用的且無毒的塑料E20E20FDM

13、1650FDM1650，F(xiàn)DM2000FDM2000所有顏色所有顏色人造橡膠材料，與封鉛、軸人造橡膠材料，與封鉛、軸襯、水龍帶和軟管等使用的襯、水龍帶和軟管等使用的材料相似材料相似ICW06 ICW06 熔模鑄造用蠟熔模鑄造用蠟FDM1650FDM1650，F(xiàn)DM2000FDM2000N/AN/AN/AN/A可機(jī)加工蠟可機(jī)加工蠟FDM1650FDM1650，F(xiàn)DM2000FDM2000N/AN/AN/AN/A造型材料造型材料Genisys ModelerGenisys ModelerN/AN/A高強(qiáng)度聚酯化合物，多為磁高強(qiáng)度聚酯化合物，多為磁帶式而不是卷繞式帶式而不是卷繞式表表5-2 FDM工

14、藝成型材料的基本信息工藝成型材料的基本信息第二節(jié) 熔融沉積快速成型材料及設(shè)備材材 料料抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度/MPa/MPa彎曲強(qiáng)度彎曲強(qiáng)度/MPa/MPa沖擊韌性沖擊韌性/(J/m2)/(J/m2)延伸率延伸率/%/%肖氏硬度肖氏硬度/D/D玻璃化溫度玻璃化溫度/ABSABS22411076105104ABSiABSi3761101.43.1108116ABSplusABSplus3652964ABS-M30ABS-M3036611396109.5108PC-ABSPC-ABS34.8501234.3110125PCPC529753.393115161PC-ISOPC-ISO528253.3951

15、61PPSFPPSF5511058.73386230E20E206.45.534796ICW06ICW063.54.31713Genisys Genisys Modeling Modeling MaterialMaterial19.326.93262表表5-3 FDM工藝成型材料的特性指標(biāo)工藝成型材料的特性指標(biāo)第二節(jié) 熔融沉積快速成型材料及設(shè)備 供應(yīng)熔絲沉積制造（FDM）設(shè)備工藝的單位主要有美國的Stratasys公司、3D Systems公司、MedModeler公司以及國內(nèi)的清華大學(xué)等。 Stratasys公司的FDM技術(shù)在國際市場上所占比例最大。2. 熔融沉積快速成型制造設(shè)備熔融沉積快速

16、成型制造設(shè)備圖圖5-3 Stratasys公司于公司于1993年年開發(fā)出第一臺(tái)開發(fā)出第一臺(tái)FDM1650機(jī)型機(jī)型尺寸：254mm254mm254mm圖圖5-4 Stratasys公司的公司的FDM-Quantum機(jī)型機(jī)型尺寸：600mm500mm600mm圖圖5-5 Stratasys公司的公司的FDM- FDM- Genisys Xs Xs機(jī)型機(jī)型尺寸：305mm203mm203mm第二節(jié) 熔融沉積快速成型材料及設(shè)備 由于在幾種常用的快速成型設(shè)備系統(tǒng)中，唯有FDM系統(tǒng)可以成為辦公室使用的產(chǎn)品。為此，Stratasys公司專門成立了負(fù)責(zé)小型機(jī)器銷售和研發(fā)部門Dimension部門。圖圖5-6

17、Stratasys公司的公司的Dimension BST768機(jī)型機(jī)型尺寸：203mm203mm305mm圖圖5-7 Stratasys公司的公司的Dimension BST1200機(jī)型機(jī)型尺寸：254mm254mm305mm第二節(jié) 熔融沉積快速成型材料及設(shè)備 3D Systems公司自推出光固化快速成型系統(tǒng)及選擇性激光燒結(jié)系統(tǒng)后，又推出了熔融沉積式的小型三維成型機(jī)Invision 3-D Modeler系列。該系列機(jī)型采用多噴頭結(jié)構(gòu)，成型速度快，材料具有多種顏色，采用溶解性支撐，原型穩(wěn)定性能好，成型過程中無噪聲。圖圖5-8 3D Systems公司的公司的XT 3-D Modeler機(jī)型機(jī)型

18、 圖圖5-9 3D Systems公司的公司的LD 3-D Modeler機(jī)型機(jī)型第二節(jié) 熔融沉積快速成型材料及設(shè)備1熔融沉積快速成型工藝的基本原理和特點(diǎn)熔融沉積快速成型工藝的基本原理和特點(diǎn)2熔融沉積快速成型材料及設(shè)備熔融沉積快速成型材料及設(shè)備3熔融沉積快速成型工藝過程熔融沉積快速成型工藝過程4熔融沉積快速成型工藝因素分析熔融沉積快速成型工藝因素分析5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)第五章第五章 熔融沉積快速成型工藝熔融沉積快速成型工藝 和其他幾種快速成型工藝過程類似，熔融沉積快速成型的工藝過程也可以分為前處理前處理、成型成型及后處理后處理三個(gè)階段。CADCAD三維建模三維

19、建模工藝參數(shù)工藝參數(shù)擬定擬定前處理 成型 后處理 第三節(jié) 熔融沉積快速成型工藝過程1. 前處理前處理CAD數(shù)字建模a) 2D 圖紙圖紙 b) 三維造型三維造型圖圖5-10 海寶筆筒海寶筆筒2D圖紙與三維造型圖紙與三維造型第三節(jié) 熔融沉積快速成型工藝過程圖圖5-11 切層軟件界面切層軟件界面第三節(jié) 熔融沉積快速成型工藝過程1. 前處理前處理載入模型，即導(dǎo)入STL文件（Aurora的使用）圖圖5-12 STL文件校驗(yàn)文件校驗(yàn)第三節(jié) 熔融沉積快速成型工藝過程1. 前處理前處理STL文件校驗(yàn)與修復(fù) 目的：目的：保證無裂縫、空洞，無懸面、重疊面和交叉面表面質(zhì)量：表面質(zhì)量：上表面好于下表面水平面好于垂直面

20、垂直面好于斜面零件強(qiáng)度：零件強(qiáng)度：水平方向強(qiáng)于垂直方向 支撐材料：支撐材料：減小支撐面積 降低支撐高度 成型時(shí)間：成型時(shí)間：越高時(shí)間越長針對(duì)多個(gè)模型：更好地布局以便成型針對(duì)單個(gè)模型：提高成型質(zhì)量及效率第三節(jié) 熔融沉積快速成型工藝過程1. 前處理前處理確定擺放方位 (a)表面質(zhì)量 (b)零件強(qiáng)度 (c)支撐材料 (d)成型時(shí)間 目的：目的：保證無裂縫、空洞，無懸面、重疊面和交叉面第三節(jié) 熔融沉積快速成型工藝過程1. 前處理前處理確定分層參數(shù)第三節(jié) 熔融沉積快速成型工藝過程1. 前處理前處理存儲(chǔ)分層文件打開快速成型機(jī)，連接設(shè)備檢查工作臺(tái)上是否有未取下的零件或障礙物系統(tǒng)初始化：X、Y、Z軸歸零成型室

21、預(yù)熱：按下溫控、散熱按鈕調(diào)試：檢查運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)及吐絲是否正常對(duì)高：將噴頭調(diào)至與工作臺(tái)間距0.3mm處打印模型：注意開始時(shí)觀察支撐粘接情況成型結(jié)束，取出模型，清理成型室第三節(jié) 熔融沉積快速成型工藝過程2. 成型成型設(shè)備操作流程a) a) 處理前處理前 b) b) 處理后處理后圖圖5-16 海寶筆筒模型海寶筆筒模型第三節(jié) 熔融沉積快速成型工藝過程3. 后處理后處理(1)去除支撐 (2)打磨海寶筆筒產(chǎn)品海寶筆筒圖紙成型用時(shí)：3小時(shí)20分鐘第三節(jié) 熔融沉積快速成型工藝過程1熔融沉積快速成型工藝的基本原理和特點(diǎn)熔融沉積快速成型工藝的基本原理和特點(diǎn)2熔融沉積快速成型材料及設(shè)備熔融沉積快速成型材料及設(shè)備3熔融沉

22、積快速成型工藝過程熔融沉積快速成型工藝過程4熔融沉積快速成型工藝因素分析熔融沉積快速成型工藝因素分析5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)第五章第五章 熔融沉積快速成型工藝熔融沉積快速成型工藝第四節(jié) 熔融沉積快速成型工藝因素分析1.材料性能的影響 凝固過程中，由材料的收縮而產(chǎn)生的應(yīng)力變形會(huì)影響成形件精度。 （1）熱收縮（2）分子取向的收縮 措施：措施：（1）改進(jìn)材料的配方（2）設(shè)計(jì)時(shí)考慮收縮量進(jìn)行尺寸補(bǔ)償2.噴頭溫度和成型室溫度的影響 噴頭溫度決定了材料的粘結(jié)性能、堆積性能、絲材流量以及擠出絲寬度。成型室的溫度會(huì)影響到成形件的熱應(yīng)力大小。 措施：措施：（1）噴頭溫度應(yīng)根據(jù)絲材的

23、性質(zhì)在一定范圍內(nèi)選擇，以保證擠出的絲呈熔融流動(dòng)狀態(tài)（2）一般將成型室的溫度設(shè)定為比擠出絲的熔點(diǎn)溫度低12。3.填充速度與擠出速度的交互影響 單位時(shí)間內(nèi)擠出絲體積與擠出速度成正比，當(dāng)填充速度一定時(shí)，隨著擠出速度增大，擠出絲的截面寬度逐漸增加，當(dāng)擠出速度增大到一定值，擠出的絲粘附于噴嘴外圓錐面，就不能正常加工。若填充速度比擠出速度快，則材料填充不足，出現(xiàn)斷絲現(xiàn)象，難以成型。 措施：措施：擠出速度應(yīng)與填充速度相匹配4.分層厚度的影響 一般來說，分層厚度越小，實(shí)體表面產(chǎn)生的臺(tái)階越小，表面質(zhì)量也越高，但所需的分層處理和成型時(shí)間會(huì)變長，降低了加工效率。相反，分層厚度越大，實(shí)體表面產(chǎn)生的臺(tái)階也就越大，表面質(zhì)

24、量越差，不過加工效率則相對(duì)較高。 措施：措施：兼顧效率和精度確定分層厚度，必要時(shí)可通過打磨提高表面質(zhì)量與精度5.成型時(shí)間的影響 每層的成型時(shí)間與填充速度、該層的面積大小及形狀的復(fù)雜度有關(guān)。若層的面積小，形狀簡單，填充速度快，則該層成型的時(shí)間就短；相反，時(shí)間就長。 措施：措施：加工時(shí)控制好噴嘴的工作溫度和每層的成型時(shí)間，以獲得精度較高的成型件。6.掃描方式的影響 FDM掃描方式有多種，有螺旋掃描、偏置掃描及回轉(zhuǎn)掃描等。 措施：措施：可采用復(fù)合掃描方式，即外部輪廓用偏執(zhí)掃描，而內(nèi)部區(qū)域填充用回轉(zhuǎn)掃描，這樣既可以提高表面精度，也可簡化掃描過程，提高掃描效率。第四節(jié) 熔融沉積快速成型工藝因素分析1熔融沉積快速成型工藝的基本原理和特點(diǎn)熔融沉積快速成型工藝的基本原理和特點(diǎn)2熔融沉積快速成型材料及設(shè)備熔融沉積快速成型材料及設(shè)備3熔融沉積快速成型工藝過程熔融沉積快速成型工藝過程4熔融沉積快速成型工藝因素分析熔融沉積快速成型工藝因素分析5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)第五章第五章 熔融沉積快速成型工藝熔融沉積快速成型工藝第五